¿El bosón de Higgs descubierto en el LHC es el predicho por el modelo estándar?

La combinación de todos los resultados experimentales disponibles, tanto en el Tevatrón (CDF+DZero) como en el LHC (Atlas+CMS), indica que el bosón escalar con una masa de 125,5 GeV descubierto el 4 de julio es el bosón de Higgs del modelo estándar. Si no lo es y se trata de un “impostor” (yo suelo llamarle un “primo”), la diferencia entre ambos es muy pequeña. La figura que abre esta entrada muestra que el descubrimiento de la nueva partícula tiene 6,9 sigmas de confianza estadística (la banda gris marca ±1 σ). Además, el cociente entre la tasa de producción de  la nueva partícula y la tasa de producción predicha por el modelo estándar es de solo μ = 1,02 ± 0,15, lo que implica un gran acuerdo con el valor predicho μ = 1. El mejor ajuste combinado para la masa del Higgs es m = 125,5 ± 0,54 GeV, como muestra la figura de abajo.

En resumen, el ajuste entre la nueva partícula y el bosón de Higgs es muy bueno, luego mientras nadie demuestre lo contrario, se ha descubierto el bosón de Higgs del modelo estándar. Este análisis y las figuras anteriores aparecen en Pier Paolo Giardino, Kristjan Kannike, Martti Raidal, Alessandro Strumia, “Is the resonance at 125 GeV the Higgs boson?,” arXiv:1207.1347, Submitted on 5 Jul 2012.

Prácticamente la misma conclusión nos ofrecen John Ellis, Tevong You, “Global Analysis of the Higgs Candidate with Mass ~125 GeV,” arXiv:1207.1693, Submitted on 6 Jul 2012, que han utilizado su modelo genérico basado en dos parámetros (a,c). Su artículo además nos presenta figuras similares a ésta solo para el Tevatrón, solo CMS y solo ATLAS, pero las más precisas son las de CMS 7+8, muy próximas a la combinación final.

Estas figuras corresponden al ajuste de los datos experimentales con otro modelo fenomenológico que usa cuatro parámetros libres (en lugar de dos como el modelo anterior). Obviamente, ahora hay más juego, pero los resultados siguen siendo compatibles (o consistentes) con la predicción del modelo estándar. Nos lo presentan Dean Carmi, Adam Falkowski, Eric Kuflik, Tomer Volansky, Jure Zupan, “Higgs After the Discovery: A Status Report,” arXiv:1207.1718, Submitted on 6 Jul 2012, donde los físicos podrán encontrar los detalles de los parámetros usados.

Por supuesto, la combinación oficiosa de Philip Gibbs también nos indica que estamos ante el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar [ver esto, esto y esto]. La situación está tan clara que hasta Matt Strassler lo tiene claro, como nos cuenta en “Higgs Discovery: Is it a Higgs?,” OPS, July 20, 2012, y “Higgs Discovery: Is it a Simplest Higgs?,” OPS, July 11, 2012.

En resumen, por mucho que nos gustaría que no fuera el bosón de Higgs predicho sino un “primo” (o “impostor”), por ahora todo apunta a que se ha descubierto el bosón predicho por el modelo estándar a casi 3 sigmas de confianza estadística. Por supuesto, las combinaciones indicadas en este entrada son oficiosas, incluso la de John Ellis y Tevong You. La ratificación a unas 5 sigmas de que realmente estamos ante EL bosón de Higgs no llegará hasta diciembre de 2012 (si, crucemos los dedos, no hay problemas con el LHC).

PS: Uno de vosotros me ha recordado que no he incluido ninguna referencia a los trabajos de José R. Espinosa (ICREA, Barcelona). Hay muchos otros, pero bueno, siendo español, también los incluyo.

En su artículo J. R. Espinosa, C. Grojean, M. Muhlleitner, M. Trott, “First Glimpses at Higgs’ face,” arXiv:1207.1717, Submitted on 6 Jul 2012, además de ajustar con el modelo efectivo (a,c) los datos de Tevatrón y LHC, también incluye los datos de precisión eletrodébil (EWPD). Como resultado, el ajuste entre los datos y la hipótesis de un Higgs del modelo estándar es de unas 2 sigmas. No es mucho.

Anuncios

27 pensamientos en “¿El bosón de Higgs descubierto en el LHC es el predicho por el modelo estándar?

  1. Te faltaron los artículos de Jose Ramón Espinosa y colaboradores, por ejemplo: arXiv:1207.1717 [hep-ph]

  2. Francis, creo que es muy prematuro lo que dices. Todos los resultados que tenemos apuntan a que la partícula en cuestión es tipo-Higgs o compatible con el Higgs del modelo estándar, pero nada más, no podemos afirmar que es el Higgs del modelo estándar, ni podremos hacerlo aunque sea compatible a cinco sigmas su sección eficaz de producción en los canales a los que el LHC tenga suficiente sensitividad.

    Y es que hay otros modelos que no pueden ni se podrán descartar en los próximos meses, ni pocos años, incluso. De hecho, los artículos que citas se fijan en algunos de estos modelos y no los eliminan, sino que los restringen en algún caso.

    Es necesario medir con precisión las propiedades de la nueva partícula ( el spin, por ejemplo, y sus acoplamientos a todas las demás partículas, incluyendo sus autoacoplamientos). Es la tarea fundamental que le queda al LHC en los próximos años (5?, 10?,…) y posiblemente (ojalá que así sea) al futuro colisionador lineal e+e- ( mucho más sensible a medidas de precisión que el LHC y complementario al mismo).

    A mí me encantaría que vayamos comprobando que la partícula es Higgs-like. Pero no me gustaría que nos estancáramos en el modelo estándar, porque eso podría significar un parón en nuestra comprensión del Universo que, recuerda,hoy por hoy, solo explica parcialmente el 4% de su composición

    • Alberto, todos queremos que se haya descubierto un “primo” del Higgs y no el Higgs. Pero, por ahora, solo podemos decir que se ha descubierto un Higgs muy parecido, pero muy parecido, al Higgs. Si miramos solamente los resultados CMS o solamente ATLAS, no es tan parecido como si también miramos el Tevatrón y LEP2. Pero bueno, en diciembre de 2012 habrá más datos y en el verano de 2013 ya lo sabremos casi seguro (al menos en los 6 canales más “fáciles” para el LHC de entre los 8 canales más probables).

      • No, llevará más tiempo.
        Para Diciembre LHC tendrá una estadística más o menos doble de la actual y luego habrá casi dos años hasta que recomience, con mayor energía. Para verano de 2013 tendremos poco más que para las conferencias de invierno de 2013 ( lo que se haya podido mejorar en el conocimiento del detector y procedimientos de análisis, pero no en más datos)
        Y la prueba definitiva de qué es requiere mucho mayor análisis de propiedades, que requerirá LHC y, como he dicho antes un colisionador leptónico, posiblemente el International Linear Collider (ILC). Tenemos física del Higgs ( y del top, etc…) para mucho tiempo

      • Alberto, una pregunta. ¿Crees que el CERN dirá que ha descubierto el Higgs SM en diciembre de 2012? Quiero decir, cuando se tengan unos 5+15 /fb de datos 2011+2012 con evidencia al menos a 4 sigmas en los canales bb, tatutau, WW*, ZZ*, difotónico y Zfotón. ¿Crees que será suficiente evidencia para afirmar que se trata del Higgs SM?

        Obviamente, nunca se podrá estar absolutamente seguro y habrá que esperar a una fábrica de Higgs como ILC o CLIC para asegurarse. Todavía no estamos seguros al 100% que el quark top sea el quark top (si no, por qué seguimos estudiando sus propiedades buscando desviaciones respecto a las predicciones teóricas).

      • en mi humilde opinion si se diera esa circunstancia el cern confirmaria el descubrimiento de un boson que se comporta como el higs estandar pero no afirmaria que lo es
        el ejempo que pones del top no es exactamente como lo expones. Casi nadie duda que es el quark top del modelo estandar,pero su analisis preciso en cuanto a su comportamiento es la mejor firma de explorar escalas de energia a las que haya indicios de fisica no estandar, que debe haberla aunque no sabemos a que escala.

        el top sera un protagonista destacado de la fisica de los proximos años

      • Gracias por tu comentario. El Higgs también será otro “protagonista destacado de la fisica de los proximos años.”

  3. Pues ésta es la pregunta del billón de dolares. Era ya mucho pedir que la partícula encontrada fuese un Higgs “beyond SM”, como dice Francis todo parece indicar que es el Higgs del SM aunque todavía no está todo dicho. Por un lado la física de partículas es reacia a mostrarnos nueva física mientras que la cosmología hace tiempo que ya nos la enseñó: materia oscura, energía oscura…Por tanto parece claro que la nueva física existe, el problema es a que escala de energías. Si está fuera del alcance del LHC ya nos podemos olvidar de su “detección” al menos a través de aceleradores de partículas. Por esto el encontrar el Higgs del SM y nada más sería terrible para la física de partículas (aunque por supuesto a la naturaleza eso le importa una mierda).
    A nivel teórico, problemas como el de la energía del vacío indican que hay algo fundamental que no entendemos (probablemente de la composición del vacío espacio temporal) veremos que nos deparan los nuevos datos experimentales y los nuevos desarrollos teóricos.

  4. No entiendo por qué todos estos que han hecho exploraciones parametricas han usado el mismo parametro para la produccion (via gluones y el acoplo del top) que para las detecciones en decays a leptones o quarks. Si lo que buscas es algo nuevo no puedes decargar que tenga que ver con el top, que vive en la escala electrodebil, y por tanto tienes que darle un parametro para el solito. El no hacerlo no se si es torpeza o falta de miras.

    • Alejandro, no sé la respuesta. Lo único que se me ocurre es quieren usar pocos parámetros y quieren que sean parámetros que se puedan comparar con los resultados experimentales. Además, la desintegración de un Higgs en un par de quarks top está muy suprimida porque una masa de 125 GeV es muy pequeña comparada con el doble de la masa de los quark tops, incluso en el caso de que uno de los tops sea virtual. Por tanto, introducir un parámetro que estadísticamente será muy próximo a cero en estos modelos que ajustan teoría (general) con experimento no tiene mucho sentido. Quizás tengas razón y habría que introducir un parámetro específico para el acoplo al top separado de las demás partículas, pero su valor será tan pequeño que aportará poco en estas figuras. Supongo que en ArXiv acabarán apareciendo artículos con esa posibilidad.

  5. Estaria majo, pero seguramente suma muchos problemas, que fuera a secas un triplete complejo. Entonces los W y Z se comerian tres grados de libertad y sobrarian otros 3, parecidos a los swinos y szinos que deciamos el otro dia.

  6. Bueno, bueno, no especulemos tanto, que para eso ya tenemos bastante con la economía!!
    ¿ os habéis puesto a pensar en la cantidad de propuestas que van saliendo ya, cuando todavía tenemos resultados muy pobres para dirimir entre unos y otros modelos?.
    En fin, es positivo, quiere decir que el tema es muy importante y mueve a la gente

  7. Gracias a un amigo, he investigado a los autores que “predijeron” un higgs booson de 126 GeV. De entre todos ellos, destaco a Shaposhnikov. Este paper http://arxiv.org/abs/0912.0208 es absolutamente demoledor ( y está firmado en enero de 2010 la segunda versión). Estoy intentando pensar un loophole, pero el paper parece sólido…Un Higgs de 126 permite una descripción “asymptotically safe” de GR+SM…Flipante Shaposhnikov…¿Alguien se le ocurre como evadir estas conclusiones? ¿Coincidencia numérica?Si se confirma la seguridad asintótica de la gravedad cuántica (finitud UV en régimen noperturbativo) el Higgs-like object puede ser un killer…Espero que no, pero papers como éste (y referencias que en él citan) dan miedo…

  8. Tengo varias dudas generales sobre el tema Higgs. En primer lugar, si la masa inercial (olvidemos por completo la gravedad ya que no es tenida en cuenta en el Modelo Estándar) es el resultado de un acomplamiento entre las partículas y el campo de Higgs, ¿Por qué la magnitud de ese acoplamiento se corresponde exactamente con el contenido de energía en reposo de cada partícula? Ignoro cómo se explica en el mecanismo de Higgs la variación de la masa inercial con la velocidad, pero asumo que el Modelo Estándar en un todo incluye naturalmente (como lo comenzó haciendo Dirac) a la Relatividad Especial. En la escala electrodébil de energías, donde tengo entendido que los W y Z no son masivos, ¿Será necesaria una cantidad menor de energía para crearlos? La analogía del campo de Higgs como algo que dificulta el movimiento de distintas partículas de una forma selectiva explica bien la masa inercial pero parece fallar a la hora de explicar que también ocasiona un incremento proporcional en el contenido energético de cada partícula, a igual velocidad relativa.
    Otra cosa, cuando en el canal difotónico se encuentra la desintegración de una partícula en torno a 126 GeV, ¿Se trata de que los fotones siempre totalizan esa energía, o hay algún parámetro que permite normalizar la masa de la partícula que, en movimiento, se desintegró para generar esos fotones, eliminando el componente de energía cinética para obtener la masa en reposo? A ver si me explico. En el supuesto de que tengamos un evento en el que un Higgs inmovil respecto del detector se desintegró, los dos fotones totalizaran 126 GeV, pero en otros casos con bosones de Higgs a distinta velocidad relativa al detector, tendrán un contenido energético mayor (dentro de los cálculos de todos los diagramas de Feynman involucrados en el experimento, claramente se podría normalizar eso). Finalmente, quisiera una opinión fundada sobre qué tan magufo es el sitio http://nohiggs.wordpress.com que denosta el mecanismo de Higgs y gran parte del Modelo Estándar (especialmente QCD). ¿Propone alternativas que sean experimental y teóricamente viables? Lo que leí superficialmente en él me resultó interesante, pero no llegué a formarme una idea de qué tan plausible son sus tesis o si es lisa y llana charlatanería.
    Saludos y gracias

    • César, trataré de contestar tus dudas brevemente.

      1) “¿Por qué la magnitud de ese acoplamiento (…) energía en reposo de cada partícula?”

      Por definición de masa. Dos definiciones equivalentes entre sí hasta donde sabemos. Energía en reposo y acoplamiento de la partícula al Higgs son la misma cosa. No tenemos ninguna explicación de por qué. Lo único que sabemos es que es lo mismo.

      2) “Ignoro cómo (…) Relatividad Especial”

      Cierto, el mecanismo es invariante Lorentz y es la relatividad especial la que explica esa variación.

      3) “En la escala electrodébil de energías … ¿Será necesaria una cantidad menor de energía para crearlos?”

      Esto es un juego de palabras sin sentido. Dices que si tengo una cantidad de energía unos 2,5 veces mayor que la masa de un W o Z, ¿será necesario una cantidad de energía menor que la masa de estas partículas para crearlas?

      4) “La analogía del campo de Higgs como algo que dificulta el movimiento …”

      Obviamente, la analogía falla al explicar la masa (en reposo) y el efecto de la relatividad especial. Obviamente es una mala analogía, aunque sea popular en vídeos de youtube y similares.

      5) “canal difotónico … 126 GeV, ¿Se trata de que los fotones siempre totalizan esa energía?”

      Exactamente, la energía total del par de fotones es de 126 GeV. El problema es que la medida experimental de la energía del par de fotones tiene cierta incertidumbre; esta incertidumbre no es fija y depende de la colisión, pero ronda los 2 GeV. Con lo que medir un evento a 125,3 GeV o a 126,7 GeV es compatible en ambos casos con un Higgs con 126 GeV.

      6) “¿algún parámetro … eliminando el componente de energía cinética?”

      No entiendo. ¿Energía cinética aplicada a un fotón? En un fotón se habla de energía (o momento), reservándose el concepto de energía cinética a partículas con masa (en relatividad especial).

      7) “tengamos un evento en el que un Higgs inmovil respecto del detector”

      En la práctica, todos los Higgs en el LHC están en reposo respecto al detector, pues se desintegran tan rápido que recorren una distancia mucho menor que el diámetro de un protón (a la máxima energía que una colisión le puede dar a un Higgs).

      8) “qué tan magufo es el sitio http://nohiggs.wordpress.com

      El autor (Eliahu Comay) no publica en revistas de prestigio (aunque publica en revistas poco conocidas) y tiene ideas teóricas que no son capaces de explicar los resultados experimentales que explica el modelo estándar. Para un experto estudiar en detalle sus propuestas es perder el tiempo.

      “¿Propone alternativas que sean experimental y teóricamente viables?”

      No.

      • En el punto 3, quise referirme a una situación previa a la ruptura espontánea de la simetría, consultando si con menos energía se podían crear las partículas que en esa situación son carentes de masa. Pero entiendo que mi error está en considerar al W o al Z como existentes en ese contexto.
        En el punto 6 hablo de la energía cinética del Higgs previo a decaer. Suponiéndola variable, el color del par de fotones emitidos cambiaría. Pero conociéndola, se puede corregir. Por breve que sea su existencia, puede existir con distintas energías cinéticas, ¿no?

      • César, en el punto 3 te he contestado en dicho caso, aunque quizás no demasiado claro. En la situación previa a la rotura espontánea de la simetría (EWSB) la energía involucrada (promedio en la región considerada) debe ser mayor que la del vacío del campo de Higgs, 246 GeV, energía que hay que comparar con los 80-90 GeV de la masa de W y Z tras la EWSB. Por encima de esta energía, los W y Z no tienen masa pero su energía es superior a esos 246 GeV. No se si me explico. Preguntabas cuánta energía es necesaria para crearlas en esta circunstancia…

        En el punto 6, por supuesto el Higgs puede tener energía cinética (como cualquier partícula con masa), pero en el LHC producirlo con mucha energía cinética es difícil (no hay suficiente energía disponible) y en general los Higgs se producen en régimen no relativista (como pasa con los quarks top). Por otro lado, obviamente el par de fotones tiene una energía (y un color) variable, pero se seleccionan con los disparadores (triggers) los fotones con un cierto rango de energía para poder ver el pico asociado a la masa del Higgs.

      • a ver aclaremos algo
        La energia de los dos fotones sera la que sea. Los 126GeV es el valor de la masa invariante de los mismos, qu es, claro, invariante, es decir, independiente del sistema de referencia Lorentz, y por tanto el valor en el sistema en reposo del boson de Higgs, y por tanto, su masa.
        El boson de Higgs puede salir con la energia cinetica que sea, siempre respetandose la conservacion de la energia entre el estado inicial (pp a 7 u 8 TeV) y el estado final que contiene los dos fotones procedentes,previsiblemente, de ese Higgs-like

        En los otros puntos tambien hay que aclarar cosas. La interaccion con el campo de Higgs, en el contexto de la teoria cuantica de campos, que seria largo de explicar, produce los terminos de masa, pero tambien terminos de interaccion entre el bosn de Higgs con los bosones WyZ, con los fermiones de materia (quarks, leptones como el electron, muon y tau) . Todo ello es parte de la lagrangiana del sistema (donde estan los terminos de masa, de energia cinetica y de potencial de interacciones) y por ello podemos analizar tanto probabilidades de produccion en distintos canales como de desintegracion del Higgs en diversos canales.

      • ¡Gracias a ambos! Aunque soy tan ignorante como antes del formalismo matemático involucrado (a propósito, ¿cuáles son los 3 ejes en ese gráfico en el que el potencial de Higgs tiene la forma de un culo de botella y que ilustra la ruptura de simetría?), me han clarificado mucho acerca de cómo conceptualizar algunas cosas, cómo formular las preguntas y cómo no llevar demasiado lejos las analogías utilizadas para la divulgación.
        Francis, más arriba dijiste “En la situación previa a la rotura espontánea de la simetría (EWSB) la energía involucrada (promedio en la región considerada) debe ser mayor que la del vacío del campo de Higgs, 246 GeV”, la pregunta es: ¿Ése valor de 246 GeV es conocido previamente a estos hallazgos del Higgs-like? ¿Hay alguna relación con la masa de la partícula que decae, entre otros canales, en 2 fotones? ¿Qué entendemos por “promedio en la región considerada”? Gracias otra vez, y si puedes recomendarme algo de QFT para legos para leer (o una secuencia de lecturas que me permita entender más de qué van los lagrangianos y los distintos operadores matemáticos utilizados, así como las generalidades de la simetría gauge), lo agradeceré. Tengo “El camino a la realidad” de Penrose, pero me da la impresión de que pierde claridad conforme pasa de conceptos matemáticos, muy bien explicados, a los físicos. Saludos desde la patagonia argentina…

      • César, el eje z es el potencial del campo de Higgs y los otros dos ejes es una simplificacion visual ( porque se necesitarían cuatro) de las componentes del campo ( doblete escalar complejo con dos componentes complejas, luego cuatro grados de libertad). El grupo de simetría que haría las transformaciones entre estas componentes es SU(2) X U(1) (que en el dibujo se visualiza como una rotación en el plano horizontal, por hacerlo más divulgativo)

        El valor esperado en el vacío del campo de Higgs está relacionado con la masa de los bosones vectoriales y con la constan te de acoplamiento de la interacción electrodébil y, es por tanto, conocido, antes del descubrimiento del Higgs-like. La masa del Higgs era desconocida, porque hay otro parámetro de la teoría, que era libre, y del que depende el valor de la masa del Higgs

      • Gracias. Sobre el tema de las lecturas recomendadas, ¿alguna sugerencia?
        ¿A qué te refieres más arriba, Francis, con energía promedio en la región considerada mayor a 246 GeV (before EWSB). ¿Cuál sería la unidad de volumen? ¿Hay unidades naturales por las que el GeV mida densidad de energía?
        Saludos

  9. Creo que deberías haber incluído los comentarios sobre el artículo de Espinosa et al no porque sea español sino porque
    su análisis es más completo y sólido que algunos de los que mencionaste de entrada.

      • César, el artículo aparece al final de mi entrada (en el PS). Patxi lo que opina es que debería haber sido incluido en la parte principal del artículo y no como un PS.

        “En su artículo J. R. Espinosa, C. Grojean, M. Muhlleitner, M. Trott, “First Glimpses at Higgs’ face,” arXiv:1207.1717, Submitted on 6 Jul 2012.”

Los comentarios están cerrados.