Algunas figuras curiosas sobre la búsqueda del Higgs

Esta figura muestra la evolución, inverso de femtobarn a inverso de femtobarn, de las figuras de exclusión del Higgs en el canal H→WW en el detector CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU. Lo importante de estas figuras es que, aunque se observan excesos y defectos locales en diferentes regiones, no muestran  indicios sobre la existencia de un Higgs con una masa de 125-126 GeV/c². La razón es sencilla, la falta de sensibilidad, no hay suficientes colisiones en este canal para que el Tevatrón vea un Higgs con dicha masa. Tampoco es sensible a este canal la figura más reciente, con 9,7 /fb de datos, que muestro abajo; dicha figura excluye un Higgs entre 148 y 175 GeV/c² al 95% C.L. Me gusta esta figura porque nos muestra lo que nunca debemos olvidar a la hora de interpretar las figuras de exclusión: mientras la sensibilidad no sea suficiente, los excesos y defectos son casi con toda seguridad debidos a fluctuaciones estadísticas a favor o en contra. La figura de arriba está extraída de la charla de Massimo Casarsa (CDF), “Inclusive Search for Standard Model Higgs Boson Production in the WW Decay Channel Using the CDF II Detector,” ICHEP 2012, 7th July; la figura de abajo de la web de CDF, “CDF Search for Higgs to WW* Production using a Combined Matrix Element and Neural Network Technique.” Esta entrada es un guiño a un tuit de @riemannium sobre el reciente preprint CDF Collaboration, “Search for the Higgs boson in the all-hadronic final state using the full CDF data set,” arXiv:1208.6445, Subm. 31 Aug 2012 (su tuit empezaba con “Puzzling Hints of BSM physics?” y acaba con “Discrepancy is now 11 times the SM,” cuando en realidad los datos no son sensibles a un Higgs de 125 GeV/c², valor SM, sino a un valor 11 veces mayor; por tanto, no hay ningún tipo de discrepancia).

El canal WW es sensible a un Higgs en el LHC, como muestra la curva punteada que está por debajo de la unidad en el rango entre 120 y 130 GeV, por lo que el exceso que se observa puede ser achacado a la presencia de un Higgs; aunque como la sensibilidad está justo en el borde, habrá que esperar a los datos que se publiquen en diciembre para poder extraer información fiable en este canal sobre el Higgs.

Por cierto, la desintegración de un Higgs en dos bosones W, el canal di-W, se encuentra la misma dificultad que en el caso del canal di-Z, con una masa de unos 80 GeV, los W también tienen una vida media muy corta de unos 0,3 yoctosegundos (billonésimas de billonésima de segundo). El canal di-W es ideal para estudiar un Higgs con una masa alrededor de 160 GeV, pero para un Higgs de 125 GeV tenemos que utilizar el canal H→WW*, donde uno de los dos W es un W virtual. Una gran dificultad en este canal es que si entre sus productos de desintegración aparecen leptones cargados (fáciles de detectar) también tiene que haber neutrinos (que no se ven y se han de estimar mediante pérdidas de energía); por otro lado, cuando no hay leptones, desintegraciones en chorros hadrónicos, hay mucho ruido de fondo. Este canal, por tanto, es mucho más difícil de estudiar que el canal “mágico” H→ZZ*→4 leptones (en el que no hay neutrinos).

La desintegración de un Higgs en dos bosones Z, el canal di-Z, dado que los bosones Z tienen una masa de unos 91 GeV, es ideal para observar un bosón de Higgs con una masa grande, mayor de unos 160 GeV; pero también puede ser utilizado para buscar un Higgs de 125 GeV cuando uno de los Z es una partícula virtual, denotado por Z*. Los bosones Z tienen una vida media muy corta, de solo 0,3 yoctosegundos (billonésimas de billonésima de segundo), por ello son imposibles de observar directamente y nos tenemos que conformar con observar sus productos de desintegración. La siguiente figura ilustra la sección eficaz (probabilidad de producción)  en función de la masa del Higgs para los subcanales más probables del canal H→ZZ.

Cada subcanal del canal H→ZZ depende de cómo se desintegren los Z. En la figura se ilustran tres: que cada Z se desintegre en un par de leptones cargados, H→ZZ→4l (4 leptones cargados), que uno de los Z se desintegre en un par de neutrinos, H→ZZ→2l2ν (2 leptones cargados y dos neutrinos), y que uno de los Z se desintegre en un par quark-antiquark, H→ZZ→2l2q (2 leptones cargados y dos quarks, que forman dos chorros hadrónicos); por supuesto hay más subcanales pero su probabilidad es menor y están fuera del alcance con las colisiones disponibles en 2012. El sub-canal con una señal más limpia (llamado por ello “golden channel”), porque es el fácil de estudiar en el LHC, es el menos probable, H→ZZ→4l, donde los cuatro leptones cargados pueden ser cuatro muones (H→ZZ→μμμμ), cuatro electrones (H→ZZ→eeee), y dos muones y dos electrones (H→ZZ→μμee). Este canal ha permitido el descubrimiento del Higgs.

Los sub-canales menos sensibles del canal di-Z se muestran en esta figura. El análisis de las colisiones del LHC se presentó en las charlas de Francesco Pandolfi (CMS), “Search for a SM Higgs Decaying to ZZ to l+lqq or l+lνν at CMS,” ICHEP 2012, 7th July, y Carl Gwilliam (ATLAS), “Search for the SM Higgs boson through the H → ZZ → ℓℓνν, ℓℓqq decay channels with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Para un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV estos sub-canales aportan muy poca información con las colisiones analizadas hasta ahora, por no decir nada de nada. Son canales útiles para una estudiar un Higgs de gran masa.

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Un pensamiento en “Algunas figuras curiosas sobre la búsqueda del Higgs

  1. Gracias por la entrada Francis. Leyendo el paper con más atención ya me he dado cuenta de lo que dice, y también de nuestra discusión de ayer. Tal vez la frase de la conclusión: “For a 125 GeV/c2 Higgs
    boson, the 95% CL expected (observed) limit is 11.0 (9.0) times the expected SM rate.” hizo que me confundiera …Ya que una límite no es lo mismo que discrepancia. Sin embargo, como discutimos en twitter, el punto será en ver si el “Higgs” (o lo que sea) de 126 GeV se ve en ATLAS (aún no ven nada ahí, según mis espías, no sólo los datos publicados aún) y CMS (ven ligero exceso, como también confirman mis otros espías) en el modo de distengración b bbar. Y también intentar observar su decay en los canales raros tipo tau antitau o cualquier otro de los que el SM predice. Tenemos unos meses apasionantes hasta Diciembre. Este año será largamente recordado por el Higgs y Curiosity como hitos científicos del año.

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