Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas “luces” en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), “Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was “Higgs-CMS”),” ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).

En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), “Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.

¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).

Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con “alfileres.” ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), “Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.

Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σSM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), “Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,” ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), “Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,” ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.

En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.

23 pensamientos en “Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

  1. Hola Francis
    Felicitarte por tu blog, y además, hacerte una pregunta para la cual no consigo obtener una respuesta satisfactoria:
    Si la masa del Higgs es 125 GeV, ¿por qué no se ha podido detectar en el Tevatrón? por qué se centraban en mirar b/b? por qué ese canal no se ve bien en el LHC?
    Bueno, ya te haces a la idea.
    Muchas gracias!

    • Beh_beh_beh, la respuesta tiene dos partes, una, por qué es más difícil producir un Higgs en el Tevatrón que en el LHC y, dos, por qué en el canal bbbar el Tevatrón tiene ventajas sobre el LHC (por ahora).

      1) En el Tevatrón la sección eficaz de producción de un Higgs es la suma de la fusión de gluones, producción asociada a un bosón vectorial y fusión de bosones vectoriales, totalizando en una colisión protón-antiprotón a 1,96 TeV un valor de σ(ppbar→H+X)= (0,95+0,21+0,07) pb ≈ 1230 fb. El Run II ha acumulado unos 10 /fb de datos de colisiones, luego se han logrado producir unos 1230 fb * 10 /fb = 12.300 bosones de Higgs. Como la eficiencia de los triggers no es del 100%, podemos poner un 30% como valor razonable, estamos hablando de unos ~4.000 Higgs.

      En el LHC la sección eficaz de producción de un Higgs en una colisión protón-protón a 8 TeV tiene una sección eficaz de σ(pp→H+X)≈(19,52+1,09+1,56) pb=22170 fb, luego con unos 10 /fb de datos se producen unos 222.000 Higgs, que como los triggers del LHC son más modernos podemos multiplicar por un 45% de eficacia, dando unos ~100.000 Higgs (unos 25 veces más Higgs se producen en el LHC que en el Tevatrón para el mismo número de colisiones).

      Por tanto, se producen muchísimos más Higgs en el LHC que en el Tevatrón y es más fácil estudiarlos. Además, los canales más limpios para observar el Higgs son canales de desintegración de muy baja probabilidad (el difotónico son el 0,2% de los Higgs producidos en el LHC y el ZZ*→4l son el 0,01% en el LHC, por lo que se necesitan muchos Higgs para aprovechar estos canales tan limpios). Más aún, en estos canales los detectores del Tevatrón, que son de diseño más antiguo que los del LHC, funcionan peor y tienen menor sensibilidad (por ejemplo, detectar fotones en el Tevatrón es muy difícil, pero ATLAS y CMS del LHC están muy optimizados para ello).

      2) El canal de desintegración más probable para un Higgs, tanto en el Tevatrón como en el LHC, es el canal H→bbbar. El problema es que los quarks bottom se desintegran en chorros hadrónicos cuyos productos se pueden confundir fácilmente con el ruido de fondo. En el LHC, las colisiones tienen 3,5 veces más energía, por lo que hay muchas más colisiones espurias (fenómeno del pile-up o apilado de colisiones), en ocasiones hasta 25 vértices, que producen gran cantidad de quarks b que implican un ruido enorme en este canal. Sin embargo, en el Tevatrón el pile-up es un fenómeno mucho menor y este canal tiene ruido pero muchísimo menos.

      Haciendo números aproximados, en el Tevatrón σ (H)⋅BR(H→bb) ~ 0,6 pb, es decir, luego con unos 10 /fb de datos se desintegran unos ~6.000 Higgs, que con una eficiencia del 30%, implica que uno de cada dos Higgs en el Tevatrón se observa en este canal. Por ello, el canal estrella del Tevatrón es el bbbar, mientras que en el LHC este canal requiere como el doble de las colisiones disponibles ahora (unos 20 /fb para excluir a un Higgs en algún rango de masa y cuando más alto sea el número de colisiones mejor). Por ello, se han prolongado las colisiones pp en el LHC que iban a acabar en octubre hasta diciembre o enero, con objeto de recopilar este año suficientes para poder usar el canal bb con garantías.

      Por cierto, el gran problema del canal bb en el Tevatrón es que su resolución de masa es pobre porque reconstruir bien los chorros hadrónicos con sus detectores no es fácil. El error en resolución de masa ronda los 10 GeV (con los nuevos análisis de este año, que en 2011 rondaba los 15 GeV), por lo que un Higgs a 125 GeV en el Tevatrón deja una señal con una anchura de unos 20 GeV, es decir, entre 115 y 135 GeV.

      Espero que tu duda esté resuelta.

  2. Quisiera preguntar, aunque no tenga relación con la entrada y sea una pregunta muy elemental para el nivel del blog: ¿el hallazgo del descubrimiento del bosón de Higgs supone también la confirmación de la existencia del campo de Higgs? ¿que importancia tiene el campo de Higgs en las pruebas del LHC? Muchas gracias.

    • Alfonso, es una buena pregunta. La respuesta depende del físico al que preguntes.

      La mayoría de los físicos creemos que hay una fuerte evidencia indirecta de la existencia del campo de Higgs independiente de que exista o no el bosón de Higgs, es decir, estamos buscando el bosón de Higgs porque asumimos que ya está demostrado que el campo de Higgs existe.

      Sin embargo, hay una minoría de físicos a los que no les gusta decirlo así y dicen que lo único que hemos demostrado con la evidencia indirecta es que existe algo que se comporta como el campo de Higgs y que no tiene que ser el campo de Higgs; solo sabremos que lo que se comporta como el campo de Higgs es el campo de Higgs si se encuentra el bosón.

      En general, ambas respuestas son equivalentes.

      “¿que importancia tiene el campo de Higgs en las pruebas del LHC?” Con el descubrimiento de la partícula de Higgs lo que queremos es estudiar el campo de Higgs y sus propiedades, sobre todo su auto-interacción (como un bosón de Higgs interacciona con el campo de Higgs y con otros bosones de Higgs). El bosón de Higgs no interesa a nadie por sí mismo, lo que interesa es el campo de Higgs. La física del Higgs es la física del campo de Higgs.

      • Aprovechando su claridad quisiera preguntar otra cosa relacionada con el Campo de Higgs que me trae a mal traer: Si se dice que una partícula adquiere masa por su fricción con el campo de Higgs, teniendo una masa mayor las que más fricción tienen con el campo y menor las que menos friccionan con él, ¿se sabe por qué friccionan con el campo? quiero decir, si el Campo de Higgs no es un campo que se desplace en movimiento y encuentre a su paso a las partículas, las cuales resistirían su paso o no según su propia densidad (a mayor densidad mayor fricción), no veo razón alguna para que exista una fricción… ¿la hay? Gracias de nuevo.

      • Alfonso, olvida las analogías para documentales de TV, no tienen nada que ver con la realidad.

        No existe el concepto de fricción (rozamiento o similar) en la física de partículas. La fricción es un concepto macroscópico que no existe en el mundo microscópico.

        Las partículas interaccionan con las partículas virtuales del campo de Higgs y punto. Una imagen mucho más fiel es la del famoso que entra en una sala y atrae a la gente a su alrededor. La interacción si quieres imaginarla desde el punto de vista clásico es como el choque de bolas de billar (pero no son bolas, son partículas).

      • Y ya por último (perdón por la lata), si hay fricción supongo que hay aumento de la temperatura. Si la temperatura de una partícula aumenta al friccionar con el campo, variará su masa aumentando el volumen y disminuyendo la densidad, y si la densidad disminuye disminuirá el rozamiento con el campo, y así sucesivamente… se tiene presente la termodinámica en las interacciones mutuas del campo de Higgs con las partículas? las desviaciones del gráfico que ha presentado en el post, no podrían ser debidas a estas variaciones térmicas o es esta una idea imposible? gracias otra vez.

      • Alfonso, el concepto de temperatura no es aplicable a una partícula. Se trata de un concepto macroscópico solo aplicable a un sistema con muchas partículas (que además tiene que estar en equilibrio, etc., etc.). Una partícula tiene energía, momento, cargas, masa, espín, etc. Ninguna partícula tiene temperatura; ni siquiera 20 partículas tienen temperatura; para hablar de temperatura tienes que hablar de muchas, pero muchas partículas.

    • Si lo que interacciona es una partícula (bosón) con otra partícula (fermión) puedo imaginar que choquen. Pero y si el bosón de Higgs fuera no más que una onda del campo de Higgs? o en el campo de Higgs no hay ondas?

  3. Espero no decir una estupidez, pero , ¿podría ser posible que la curva teórica de Higgs esté calculada con aproximaciones y que si se refinan ambas curvas puedan acercarse (la de Higgs y la de no Higgs)? No tengo ni idea de cómo se habrán hecho los cálculos

    • Mareram, obviamente la curva teórica tiene un error (ha sido obtenida por simulaciones por ordenador del modelo estándar). ¿Podría tener un error tan grande como para explicar la figura? No es imposible, pero se supone que los físicos han realizado bien los cálculos y dicha hipótesis es poco razonable. Pero es imposible asegurar que no haya ocurrido.

      En mi opinión, es más razonable una fluctuación estadística en los datos observados o algún error sistemático en el análisis de las señales de los detectores. Pero solo son opiniones. Pasar puede pasar cualquier cosa.

  4. ¿Qué impediría o contrariaría que un campo de Higgs sea además un campo gravitónico? Gravitones nunca se han visto ni deberían tener esa enorme masa de 125GeV, pero ¿por qué el bosón de Higgs inercial y acoplando masas de partículas tan variadas que ya las adquirieron distaría tanto del hipotético gravitón? Saludos al autor del blog.

    • Wachovsky, ¿qué impide que un campo magnético sea además el campo gravitatorio? Pues todo, porque no se parecen en nada. Pues resulta, créeme, que el campo de Higgs se parece menos a un campo gravitatorio de lo que se parece el campo magnético de un imán al campo gravitatorio de la Tierra. ¿Por qué? Por todo, porque no se parecen en nada.

    • Macbeth, ¿dónde has leído que la partícula descubierta tenga espín uno? Si yo lo he escrito ha sido una gran errata…

      La desintegración en dos fotones y en dos Z indican que la partícula es neutra y debe tener espín entero (no puede ser semientero). La desintegración en dos fotones indica que la partícula no puede tener espín uno. La sección eficaz observada para la desintegración H→ZZ→4l indica fuera de toda de duda de que la partícula tiene espín cero (si tuviera espín dos o mayor la sección eficaz observada sería muy diferente). Además, las secciones eficaces en los canales difotónico y ZZ indican fuera de toda duda que la partícula no puede ser pseudoescalar, luego tiene que ser escalar.

      Por tanto, la partícula observada el 4 de julio tiene espín cero, es escalar y es neutra, como predice el modelo estándar.

      • Para los que no sepan inglés, Incandela afirma, en una traducción libre, que: “Hemos observado una nueva partícula. Tenemos indicios muy fuertes de que hay algo, pero sus propiedades están aún por determinar en detalle. Está claro es que se desintegra en dos fotones, lo que indica que se trata de un bosón (espín entero). Por tanto es un descubrimiento importante, el más importante en física de partículas en las últimas décadas. Podría ser el bosón de Higgs, pero algunas de sus propiedades no coinciden con las esperadas según el modelo estándar. Por tanto, podría ser nuestra primera puerta hacia nuevas leyes físicas más allá del modelo estándar. Pero por ahora todo es muy preliminar. Aún así, todo esto es muy emocionante.”

        https://francisthemulenews.wordpress.com/2012/07/04/un-par-de-videos-sobre-el-higgs-que-merece-la-pena-ver/

  5. Bueno, como en otra ocasión ya me respondiste con claridad y paciencia me lanzo con otra pregunta que puede que todo el mundo tenga clarísimo. Yo creía que en teoría de campos las partículas creaban los campos y a la vez sentían su influencia como protuberancias o perturbaciones del propio campo. Por ello creía que el campo de Higgs estaba “vinculado” al campo de Higgs. Ahora ya lo he entendido más.
    La pregunta es si el bosón de Higgs da masa a las partículas quien da masa al bosón de Higgs?
    La otra sería una petición si puedes ya que se que en este blog no persigues ser un libro de texto, sería la descripción más detallada de los ocho canales de desintegración del bosón de Higgs.

  6. “si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν”

    ¿Te refieres a reconstruir la missing energy de cuatro neutrinos, o a detectar literalmente?

    • Tct, sí, me refiero a “missing energy” de los cuatro neutrinos (no tiene sentido usar detectores de neutrinos en el LHC debido a su baja eficiencia).

  7. Pido disculpas de antemano, ya que mi pregunta se sale del tema. Pero como no encuentro “contacto” en este blog tan interesante me h decidido por preguntar aquí mi duda:

    Estoy terminando un documento matemático, soy autodidacta (digámoslo así, o entusiasta de las matemáticas, reo que por los designios de la vida no pude terminar la carrera). Voy al grano. Alguien me puede decir donde y como puedo publicar este documento.

    Gracias y siento la terrible intromisión.
    gabriel

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