¿Cómo se puede saber el espín de la partícula descubierta el 4 de julio en el LHC del CERN?

En varios medios se ha destacado que aún no sabemos el espín de la partícula descubierta el 4 de julio de 2012 en el LHC del CERN es cero o dos; la desintegración de dicha partícula en dos fotones descarta que tenga espín uno, o espín semientero, pero aún no está confirmado que tenga espín cero (con una confianza estadística de al menos cinco sigmas). El bosón de Higgs predicho por el modelo estándar es una partícula neutra de espín cero, de tipo escalar (también las hay pseudoescalares), que se acopla al resto de las partículas de una forma muy concreta. Hay dos maneras de estudiar el espín de una partícula nueva. El camino fácil es estudiar en qué partículas se desintegra y en qué partículas no se desintegra; lo primero es más fácil que lo segundo, que requiere un gran número de colisiones. El camino difícil es estudiar la diferencia entre los ángulos de salida de los productos de desintegración para la partícula y para los eventos de fondo (ruido); este camino es difícil porque requiere un análisis muy técnico y delicado (llamado MELA), pero tiene la ventaja de que requiere analizar menos colisiones. El camino fácil nos los ilustró gráficamente muy bien Aidan Randle-Conde, “Spinning out of control!,” USLHC, Quantum Diaries, July 16th, 2012; el camino difícil lo discutió Richard Ruiz, “What Comes Next?,” USLHC, Quantum Diaries, July 3rd, 2012, y “What If It’s Not The Higgs?,” USLHC, Quantum Diaries, August 29, 2012.

La medida del espín de una partícula requiere proyectar dicho espín sobre cierto eje (o dirección en la que medimos). Un electrón tiene espín 1/2 y la medida de su espín en cierto eje permite obtener dos valores posibles  con espín +1/2 o -1/2. En general, una partícula con masa que tenga espín 1 (como un mesón J/ψ, o los bosones W y Z) puede tener tres estados de su espín proyectado sobre un eje +1, 0, y -1. Sin embargo, una partícula sin masa con espín 1 (como el fotón o el gluón) solo puede tener estados con espín +1 y -1. Por tanto, una partícula que se desintegra en dos fotones puede tener espín 0 = 1-1, o espín 2 = 1+1, pero no puede tener espín 1 ≠ 1 ± 1, o espín semientero.

El bosón de Higgs también se desintegra en parejas de fermiones, por ejemplo, dos quarks bottom (b) o dos leptones tau (τ), que son partículas de espín 1/2. Esta información puede usarse para descartar que el espín sea 2. Una partícula de espín 2 no puede desintegrarse en dos leptones tau, 2 ≠ 1/2 ± 1/2; la desintegración en dos quarks no nos sirve, porque suele ir acompañada de gluones, siendo posible la combinación 2 = 1/2 +1/2 + 1, como muestra la figura.

El camino difícil requiere aplicar la cinemática relativista, la ley de conservación del momento, para calcular el ángulo entre la trayectoria de los productos de desintegración y la trayectoria inicial de la partícula que se desintegra. Por ejemplo, en el caso de la desintegración del bosón de Higgs en un par de quark bottom (b) y antiquark bottom (bbar), la siguiente figura muestra la distribución de los ángulos en función del espín de la partícula para el caso de espín cero (figura izquierda) y espín dos (figura derecha). La diferencia está muy clara. Lo importante es que gracias a un análisis de este tipo se puede estudiar el espín de la partícula incluso si no hay colisiones suficientes para garantizar un descubrimiento en el canal bb.

El análisis MELA (Matrix Element Likelihood Analysis) se puede realizar para todos los modos de desintegración del Higgs (en especial los subcanales de los canales ZZ y WW), aunque el número de ángulos necesarios depende del número final de productos de desintegración. Por ejemplo, en el subcanal H → ZZ → 2e2μ, los cuatro leptones (dos electrones y dos muones) requieren especificar cinco ángulos, como indica la siguiente figura.

La ventaja de este tipo de análisis (repleto de trigonometría) es que permite diferenciar entre una partícula de espín cero escalar (0+) y pseudoescalar (0-). Para un Higgs con una masa de 125 GeV bastan unos 20 /fb de datos de colisiones para realizar esta distinción en el canal ZZ con 2 sigmas (siendo necesario 30 /fb para obtener unas 3 sigmas). Combinando varios canales, con unos 20 /fb de datos ya se pueden conocer estos detalles de la partícula descubierta el 4 de julio y confirmar si se trata el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar o si no lo es.

Más información por ejemplo en “Yanyan Gao (Fermilab), “Property Measurements of Higgs-like Single Resonance at LHC MELA and Spin Hypothesis Separation,” July 15, 2012 [slides]; Markus Schulze et al., “MELA: Spin, parity, and couplings of a Higgs-like resonance,” March 28, 2012 [slides]; S. Bolognesi et al., “Determination of properties of a Higgs-like resonance at LHC: Separation of spin hypotheses,” ICHEP 2012 [slides].

4 pensamientos en “¿Cómo se puede saber el espín de la partícula descubierta el 4 de julio en el LHC del CERN?

  1. La respuesta es evidente: tu cuerpo (y tu cerebro) es alérgico a la física y es adicto a la numerología y a la charlatanería.

  2. En que se diferencia el boson de Higgs creado en el CERN de los que existen en la naturaleza? Si realmente se desintegra tan rapido y realmente estan por todas partes, por que no se detectan de forma continua sus desintegraciones?

    Entiendo que debe ser eliminado todo el ruido posible y realizarse en condiciones controladas, pero no que deba usarse una colision tan grande para crear uno que se desintegra en tan poco tiempo cuando deben existir cientos/miles/millones… dentro del colisionador que se desintegraran igual de rapido y produciran las mismas señales. A no ser que sea diferente de los naturales. Puede alguien explicarmelo?

    Gracias

    • Eduardo, el campo de Higgs, como el campo del electrón, o el campo electromagnético, están por todas partes. No hay bosones de Higgs por todas partes, como no hay electrones por todas partes. Abusando un poco del lenguaje, se puede decir que el fondo cósmico de microondas está por todas partes, luego se podría decir que hay fotones por todas partes, pero no existe un fondo cósmico de Higgs (como tampoco de electrones).

      Un electrón en un átomo y un electrón producido en una colisión en el CERN son idénticos, e indistinguibles, salvo por su energía y momento (muchísimo más pequeña en el primer caso). En la Naturaleza, de forma espontánea, no se producen Higgs, pues se requiere mucha energía. Pero en los procesos de ultraalta energía en los que se producen Higgs son idénticos e indistinguibles con los producidos en el CERN.

      Quizás te interese saber que hay ciertos indicios de desintegraciones de Higgs en fenómenos de alta energía, como el pico a 125 GeV observado en el centro galáctico por Fermi LAT (sin embargo, no está confirmado que sea un pico real y podría ser una fluctuación estadística, o incluso existiendo, no tener nada que ver con el Higgs).

      Las partículas son excitaciones localizadas del campo de Higgs (como “paquetes de ondas”) y para excitar este campo se requiere mucha energía. Estas excitaciones son inestables y se desintegran muy rápido. Ocurre con todas las partículas de gran masa (como el top, W o Z).

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