Glosario sobre el bosón de Higgs, “breakthrough of the year” para la revista Science

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La revista Science elige todos los años el resultado científico más importante del año (Breakthrough of the Year). En 2012 ha sido el descubrimiento del Higgs. Por ello se publican hoy 4 artículos sobre el Higgs: The Editors, “The Higgs Boson,” Science 338: 1558-1559, 21 Dec 2012; M. Della Negra, P. Jenni, T. S. Virdee, “Journey in the Search for the Higgs Boson: The ATLAS and CMS Experiments at the Large Hadron Collider,” Science 338: 1560-1568, 21 Dec 2012; The CMS Collaboration, “A New Boson with a Mass of 125 GeV Observed with the CMS Experiment at the Large Hadron Collider,” Science 338: 1569-1575, 21 Dec 2012; The ATLAS Collaboration, “A Particle Consistent with the Higgs Boson Observed with the ATLAS Detector at the Large Hadron Collider,” Science 338: 1576-1582, 21 Dec 2012. Estos dos últimos artículos son versiones “ligeras” de los correspondientes artículos publicados en Physics Letters B.

Mucha gente se preguntará, si las revistas Nature y Science son las más prestigiosas del mundo, ¿por qué no se publicó el descubrimiento del Higgs en alguna de ellas? ATLAS y CMS publicaron en Physics Letters B (PLB), porque Physics Letters es una revista europea que nació en el CERN en 1962 como competencia directa a la americana Physical Review Letters (PRL); sus primeros editores principales, Gerald E. Brown y Dirk ter Haar, recibían los artículos enviados en una dirección postal del CERN. Por ello, ATLAS y CMS tienen la costumbre de publicar en PLB, una revista editada ahora por Elsevier (PLA y PLB nacieron en 1967). Por cierto, LHCb suele preferir a PRL.

El primer artículo nos presenta un glosario. Ya sabéis que yo soy poco amigo de los glosarios, pero bueno, aquí tenéis una traducción libre.

Leptones (ℓ): Nombre genérico para el electrón (e), muón (µ), y el leptón tau (τ), partículas fundamentales que no se acoplan a la interacción fuerte.

Quarks (q): Partículas fundamentales que se acoplan a la interacción fuerte y se combinan para formar partículas compuestas llamadas hadrones (mesones y bariones). El bosón de Higgs puede decaer en un par quark bottom y antiquark bottom (H\rightarrow{b\bar{b}}).

Bosones: Partículas (fundamentales o compuestas) con número cuántico de espín entero (0, 1, 2, …); obedecen la estadística de Bose-Einstein, que permite que múltiples partículas se encuentren en el mismo estado cuántico.

Bosones fundamentales: El fotón (γ), partícula asociada al campo electromagnético, los bosones W y Z, partículas asociadas a la interacción débil, y los gluones, partículas asociadas a la interacción fuerte. Todos estos bosones tienen espín uno. El modelo estándar predice un bosón fundamental, el bosón de Higgs, asociado al campo de Higgs, que tiene espín cero.

Bosones compuestos: Cualquier partícula compuesta por encima de cierta energía se observa en los experimentos como si no lo fuera. Son bosones los mesones (que son hadrones compuestos de un par quark y antiquark), los núcleos con un número par de neutrones y protones (estos últimos también son hadrones, están compuestos de quarks), y los átomos que contienen un número par de protones, electrones, y neutrones.

Fermiones: Partículas (fundamentales o compuestas) con número cuántico de espín semientero (1/2, 3/2, 5/2, …); obedecen la estadística de Fermi-Dirac, que prohíbe que dos partículas se encuentren en el mismo estado cuántico (principio de exclusión de Pauli).

Fermiones fundamentales: Los leptones y los quarks.

Fermiones compuestos: Cualquier partícula compuesta por encima de cierta energía se observa en los experimentos como si no lo fuera. Son fermiones los bariones (que son hadrones compuestos de tres quarks), los núcleos con un número impar de neutrones y protones (estos últimos también son fermiones), y los átomos que contienen un número impar de protones, electrones, y neutrones.

Hadrones: Partículas compuestas de quarks y/o antiquarks unidos entre sí por la interacción fuerte (un campo de gluones). En un sentido estricto están formadas por infinidad de gluones y pares de quark-antiquark virtuales.

Mesones: Hadrones formados por un quark y un antiquark (unidos entre sí por gluones). Salvo los piones, la mayoría de los mesones tienen una vida corta y se desintegran rápidamente, siendo imposibles de observar directamente en los detectores del LHC.

Bariones: Hadrones compuestos de tres quarks de valencia o tres antiquarks de valencia, unidos entre sí por gluones (el campo de gluones es tan intenso que se forman una infinidad de pares quark-antiquark virtuales). Los protones y neutrones son bariones.

Unidades naturales de energía, masa y momento: La famosa ecuación de Einstein para la energía, momento y masa, E2 = p2c2m2c4, nos indica que si la energía E se mide en electrón-voltios (eV), el momento p se mide en eV/c, y la masa m en eV/c2. Los físicos de partículas suelen usar el convenio de que c=1, las llamadas “unidades naturales” que nos permiten expresar la energía, el momento y la masa en la misma unidad eV. En rigor un electrón-voltio es la energía que gana un electrón al atravesar una diferencia de potencial de un voltio; en la práctica, un eV es la energía típica de la química, los enlaces entre electrones de diferentes átomos en las moléculas.

MeV: El mega-electrón-voltio (MeV), un millón de eV, es la energía típica de la física nuclear, que une protones y neutrones en los núcleos.

GeV: El giga-electrón-voltio (GeV), mil millones de eV, es la energía asociada a la masa de un protón y/o neutrón; la partícula fundamental con mayor masa, a día de hoy, el quark top tiene una masa de 173 GeV.

TeV: El tera-electrón-voltio (TeV), un billón de eV, es la escala de energía a la que se aceleran protones en el mayor colisionador del mundo, el LHC (3 TeV en 2011, 4 TeV en 2012, y se espera alcanzar 13 TeV en 2015).

Partículas inestables y su desintegración: Los detectores del LHC (tanto ATLAS, como CMS, LHCb y ALICE) solo son sensibles a partículas de vida media larga a alta energía (y sus antipartículas): fotones, electrones, protones y neutrones, piones cargados y neutros, y muones. Los neutrinos no se pueden detectar de forma directa, solo como cierta energía-momento que falta. El resto de las partículas conocidas se desintegran demasiado rápido para ser detectadas de forma directa; tras 60 años de física de partículas conocemos muy bien cómo se desintegran y las podemos observar de forma indirecta con gran precisión a partir de sus productos secundarios de desintegración. En la actualidad, los físicos de partículas están interesados en partículas que se desintegran en partículas que se desintegran en partículas que se desintegran en partículas que podemos observar en los detectores. Repito, podemos hacerlo gracias a nuestro conocimiento en los últimos 60 años (muchos físicos dicen que “ven” un bosón Z, o un quark top, o un Higgs, cuando en realidad solo ven los productos finales de su desintegración).

Canal de desintegración y estado final: Las partículas inestables que no podemos observar en los detectores se pueden desintegrar de diferentes maneras, llamadas canales de desintegración. Se llama estado final a las partículas finales en cada canal de desintegración (las únicas que podemos observar).

Fracción de desintegración (branching ratio, BR): Probabilidad asociada a cada uno de los posibles estados finales de desintegración de un partícula inestable; la suma de todas las BR debe dar la unidad. Para una partícula como el bosón de Higgs estas probabilidades dependen de la masa de dicha partícula y pueden ser calculadas de forma aproximada utilizando las herramientas matemáticas del modelo estándar; se utiliza la teoría de perturbaciones y se obtiene un valor a primer orden (LO o LL), segundo orden (NLO o NLL), tercer orden (NNLO o NNLL), etc. En la actualidad, los cálculos a NNNLO están más allá de las capacidades de cálculo de los mayores superordenadores.

BR para el bosón de Higgs: Para el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar, suponiendo una masa de 125 GeV, las fracciones de desintegración de los canales que han permitido el descubrimiento de esta partícula son: BR(H→WW) = 0,14; BR(H→ZZ) = 0,016; y BR(H→γγ) = 0,0023. Para confirmar que se trata del bosón de Higgs predicho es importante observarlo en los canales fermiónicos BR(H→bb) = 0,58 y B(H→ττ) = 0,064, que aún no son sensibles al Higgs (pero casi). Puede resultar sorprendente que el canal más probable H→bb no haya sido utilizado para el descubrimiento, pero hay que recordar que en las colisiones protón-protón en el LHC se produce un gran número de quarks bottom, que son inestables y se desintegran en chorros de partículas (chorros hadrónicos), por ello es muy difícil separar la señal del Higgs en este canal del ruido de fondo. Se espera que en 2013 los canales fermiónicos permitan observar el Higgs en el LHC (recuerda que la combinación ATLAS+CMS implica duplicar el número de colisiones disponibles).

Masa invariante: La masa que tendría una partícula en reposo que se desintegrara en todas las partículas cuya trayectoria coincide en un vértice (punto de colisión) en un suceso. Esta masa invariante es independiente del sistema de coordenadas que utilice el observador (hay que recordar que los detectores está en la Tierra y las colisiones se producen en haces de protones que se mueven al 99,999997% de la velocidad de la luz). Para calcular la masa invariante se utiliza la cinemática relativista y se calcula para cada partícula que “nace” en un vértice su vector momento (cuyas componentes son, por convenio, el momento transverso, la pseudorapidez y el ángulo azimutal, siendo el momento transverso calculado a partir de la energía transversa depositada por la partícula en los calorímetros/detectores).

Sección eficaz: El número de colisiones cuando dos haces de partículas se cruzan en el centro de un detector depende tanto de la probabilidad de que dos partículas de cada haz colisionen como del área efectiva de cruce entre ambos haces. Para tener en cuenta ambos términos se utiliza la llamada sección eficaz. La sección eficaz de una colisión se mide en barns, un área de 10−28 m2; en el LHC se utilizan nanobarns (nb), picobarns (pb), y femtobarns (fb). La sección eficaz de producción de un Higgs con masa 125 GeV en las colisiones protón-protón en el LHC con una energía en el centro de masas de la colisión de 7 TeV (año 2011) es de unos 15 pb: σ(pp→H) = 15 pb = 15.000 fb; para una energía en el centro de masas de 8 TeV es un 25% mayor.

Luminosidad instantánea: La luminosidad instantánea ℒ mide la tasa de colisiones por segundo que ocurre en un colisionador de partículas. Depende de la intensidad de los haces (números de protones por paquete o bunch) y de la geometría de los haces (la geometría de los paquetes depende de parámetros relacionados con los campos magnéticos y cómo han sido inyectados). La luminosidad instantánea se mide en cm−2 s−1.

Luminosidad integrada: La luminosidad acumulada durante cierta cantidad de tiempo se denomina luminosidad integrada, pues se obtiene gracias a una integral en el tiempo: L = ∫ℒ dt. La luminosidad integrada en el LHC se suele medir en inversos de femtobarn (fb−1 = 10−39 cm−2), que equivale a unos 100 billones (1014) de colisiones protón-protón en el LHC.

Número de sucesos: El número de sucesos (N) para cierto proceso se calcula como el producto de la sección eficaz σ para dicho proceso multiplicada por la luminosidad integrada L (N = L·σ). Por ejemplo, ¿cuántos bosones de Higgs se producen en el canal difotónico por cada inverso de femtobarn en el LHC? Para las colisiones protón-protón a 7 TeV en el centro de masas, una luminosidad integrada L = 1 fb−1 para el proceso pp→H, seguido de la desintegración H→γγ se puede calcular fácilmente como N(H→γγ) = L × σ(pp→H) × BR(H→γγ) = 1 fb−1 × 15.000 fb × 0,0023 = 34,5 (este número es adimensional ya que estamos multiplicando fb−1 por fb). Por supuesto, en un experimento real, el número de sucesos observados fluctúa al azar alrededor de este valor media siguiente un proceso estocástico de tipo Poisson.

Significancia estadística: El análisis estadístico de las colisiones en el LHC se realiza mediante las herramientas de contraste de hipótesis. La hipótesis de la ausencia de una nueva partícula es refutada y la hipótesis de la existencia de dicha partícula es confirmada hasta cierta certeza o significación, es decir, con cierta probabilidad de error. La probabilidad de que una fluctuación al azar del ruido de fondo sea tan grande como la señal que aparenta ser una nueva partícula se denomina valor P local. Este valor se calcula en desviaciones típicas, es decir, en número de sigmas. ¿Cómo se evalúan estas probabilidades? Utilizando simulaciones por ordenador de tipo estocástico (métodos de Montecarlo). ¿Qué significan 5 sigmas? Una significación de 5σ corresponde a una probabilidad de que el fondo haya fluctuado para dar la señal observada de 1 en 3 millones. Hace unos 20 años se tomó 5σ como gold standard para un descubrimiento, aunque quizás en un futuro no muy lejano se utilice un valor más alto.
Efecto “mirar hacia otro lado”: El valor P local nos da poca información cuando el intervalo de valores posibles para los parámetros de la hipótesis considerada es grande. Se habla de valor P global cuando se calcula el valor P máximo para todo un intervalo grande de posibles valores de los parámetros de la hipótesis. Por ejemplo, 5 sigmas locales pueden corresponder en un intervalo grande a solo 3 sigmas globales. Normalmente, cuando se busca una nueva partícula se usan las sigmas globales, hasta que se descarta su existencia en gran parte del intervalo de parámetros, prefiriendo entonces las sigmas locales.
Lo dicho, espero que sea de utilidad este glosario. Por cierto, que no sirva de precedente, este post es el número 3003 de este blog.
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4 pensamientos en “Glosario sobre el bosón de Higgs, “breakthrough of the year” para la revista Science

  1. Yo también suelo soslayar los glosarios, pero mira por dónde en este he recibido la respuesta a algo que me intrigó (fue así, de repente) hace pocos días. Me pregunté cómo se detectan los neutrinos (en Kamioka, por ejemplo, por no ir más cerca). Y ahora veo que la situación es más o menos la misma con la que tuvo que lidiar en su día la intuición de Pauli, es decir jugar con balances energéticos. Gracias otra vez.

    • Cuidado, Hicsuntdraconis, no extrapoles mis palabras. En el LHC y en otros colisionadores los neutrinos no se detectan (se “observan” por pérdidas de energía), pero en SuperKamiokande y otros detectores (directos) de neutrinos se suelen utilizar detectores de centello; los neutrinos colisionan con electrones o núcleos de los átomos del líquido o sólido que forma el detector, acelerándolos tanto que alcanzan una velocidad mayor que la de la luz en dicho medio, con lo emiten radiación de Cherenkov (el equivalente óptico al boom sónico de un avión al pasar la barrera del sonido), que es detectada mediante fotomultiplicadores (según los parámetros del cono de luz se deduce la energía del neutrino incidente).

  2. Arcano: cuando el glosario glosa los bosones fundamentales, indica que los tres primeros están asociados a campos de fuerza y que el de Higgs lo está al campo de Higgs. Por otra parte este último es el que confiere masa a las partículas (con excepción, al parecer, del fotón). Todo parece indicar que el campo de Higgs no produce aceleración, como cabría esperar de un campo de fuerza, sino que se relaciona más bien con la inercia pura. ¿Hay algo de eso?

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