Sendos artículos sobre el bosón de Higgs de ATLAS y CMS publicados en Science

El bosón de Higgs es el “breakthrough of the year” para la revista Science.” Por ello, ha sido objeto de sendos artículos publicados en dicha revista, aunque solo describen el estado de la búsqueda del bosón de Higgs en los detectores ATLAS y CMS del LHC en el CERN a fecha del anuncio oficial, el 4 de julio de 2012. Desde entonces se han actualizado estos datos (la última vez el pasado 13 de diciembre). En este blog ya conocéis el estado actual de la búsqueda. Sin embargo, me parece que estaría bien un resumen breve de dichos artículos (en parte para incentivar a leerlos a quienes tengan acceso a ellos). Los artículos técnicos son 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 December 2012, y 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 December 2012.

El bosón de Higgs permitirá estudiar el campo de Higgs, responsable de la masa de los bosones gauge electrodébiles W± y Z0 gracias a un mecanismo de rotura espontánea de la simetría introducido por Englert y Brout, Higgs, y Guralnik, Hagen, y Kibble. El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs, pero su existencia afecta a otras partículas, por lo que las medidas de precisión permiten estimar su masa mH, que debe estar en el intervalo [70, 123] GeV/c² al 68% CL. Las medidas de LEP (Large Electron Positron, en el CERN) indicaron que mH > 114,4 GeV/c² al 95% CL. Los experimentos CDF y DZero del Tevatron (Fermilab, cerca de Chicago, EEUU) excluyeron el Higgs en el intervalo [147, 180] GeV/c² al 95% CL. Como resultado, se esperaba que el bosón de Higgs tuviera una masa próxima a 123 GeV/c², dentro del intervalo [115, 147] GeV/c². La partícula descubierta este año cumple estos requisitos.

Dibujo20121220 gg ttt higgs www diphoton

El descubrimiento del nuevo bosón ha sido posible gracias a que la luminosidad instantánea máxima alcanzada en 2012 en las colisiones del LHC, 7,6 × 1033 cm−2 s−1,  es cercana al valor máximo de diseño (que se espera alcanzar en 2015); se ha alcanzado gracias a usar 1368 paquetes de protones, separados 50 ns (unos 16 m), cada uno con unos 0,15 billones de protones estrechados a un tamaño transversal de unos 20 μm en el punto de interacción. En cada cruce se producen unas 20 colisiones individuales; entre los 20 millones de cruces por segundo se seleccionan (gracias al sistema de disparo o trigger) unas 400 (en ATLAS) y unas 500 (en CMS) que son almacenadas en disco duro para su posterior análisis.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) y CMS (Compact Muon Solenoid) no pueden observar directamente partículas inestables, como el bosón de Higgs, que se desintegran muy rápido en partículas más estables. Lo único que pueden observar son partículas estables (o muy estables) como electrones, muones, fotones y chorros hadrónicos (cascadas de partículas formadas por quarks y gluones que se emiten en cierta dirección formando una especie de cono). ATLAS y CMS han  encontrado un bosón de Higgs con una masa entre 125 y 126 GeV/c² tras buscarlo en cinco canales de desintegración H→γγ, ZZ, WW, bb, y ττ. El modelo estándar predice que en ATLAS y CMS se han producido unos  ~20.000 bosones de Higgs por cada inverso de femtobarn (1 /fb = 1 fb−1 = 10−39 cm−2) de luminosidad integrada; a fecha de 4 de julio, unos ~200.000 bosones de Higgs para unas 800 billones de colisiones inelásticas protón-protón en los datos almacenadas en disco durante los años 2011 y 2012.

Los dos canales más sensibles son H→γγ (la desintegración en dos fotones vía un vértice de tres W) y H→ZZ→ℓℓℓℓ (la desintegración en cuatro leptones cargados vía un par de bosones Z); le sigue el canal H→WW→eνμν (la desintegración en dos leptones cargados y dos neutrinos). A fecha de 13 de diciembre de 2012, ATLAS solo ha estudiado los canales fermiónicos H→bb y H→ττ utilizando datos de 2011 debido a que este tipo de análisis son costosos y requieren más tiempo.

Canal H→γγ. Solo el 0,25% de los Higgs se desintegra de esta forma, sin embargo, la masa en este canal tiene una excelente resolución pues ambos fotones se pueden medir con gran precisión en los calorímetros electromagnéticos (ECAL) y el fondo de ruido se puede estimar con gran precisión; el pico observado sobre el fondo tiene una anchura del ~1,3% de la masa. Como la trayectoria de los fotones no se puede reconstruir, el vértice donde se ha producido el Higgs se conoce con un error de unos 15 mm (que es mucho, pero suficiente para determinar su masa). La mayoría de los sucesos consisten en fotones cuyo origen no es el Higgs; por ejemplo, ATLAS ha observado 59.039 sucesos difotónicos, de los que unos ~190 corresponden a un Higgs con una masa de mH = 126,5 GeV/c²  (con 4,8 /fb de colisiones a 7 TeV, y 5,9 /fb a 8 TeV); CMS ha observado un número similar para para un Higgs con una masa mH = 125 GeV/c², con una significación local de 4,1 σ respecto a la hipótesis nula. El canal difotónico confirma que la nueva partícula no tiene espín unidad.

Canal HZZℓℓℓℓ. La señal más pura y más clara del Higgs se obtiene en su desintegración en dos bosones Z, uno de ellos virtual (con una masa menor de 91 GeV/c²), cada uno desintegrándose en e+e, o μ+μ, pero solo el 2,6% de los Z se desintegra de esta forma (también pueden desintegrarse en otros leptones y/o quarks), por ello, hay muy pocos sucesos de este tipo (2e2μ, 4e, 4μ); el 4 de julio se esperaban 6 sucesos de este tipo en ATLAS para mH ≈ 126 GeV/c², con forma de pico con una anchura de ~1.5%; en CMS se observó con 3,2 σ un pico alrededor de 125,6 GeV/c².
Dibujo20121220 candidate event for H to WW electron in green and muon in red

Canal HWWℓνℓν. El problema de este canal es que los dos neutrinos no pueden ser observados, por lo que no se puede calcular en detalle la masa del bosón de Higgs. La única opción clara es que cada leptón sea diferente (uno un electrón y el otro un muón, es decir, H→WW→eνμν); el 90% de los sucesos es ruido de fondo, pero aún así se han observado unos ~40 a fecha de 4 de julio, con una masa de mH = 126 GeV/c².

Análisis estadístico. La verosimilitud en la hipótesis de que la partícula observada es el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar (SM) se mide utilizando como parámetro la “fuerza” de la señal μ, el cociente entre los sucesos predichos por el SM y los observados; el valor μ = 0 corresponde a la hipótesis nula, que no existe el Higgs y todo lo observado es debido a una fluctuación estadística del ruido de fondo; y el valor μ = 1 corresponde a lo predicho para la señal del Higgs del SM sobre el fondo de ruido (background). Se excluye que el bosón de Higgs tenga una masa mH cuando se excluye el μ = 1 al 95% CL (límite de confianza). La significación estadística se mide con el valor P, la probabilidad de que el ruido de fondo fluctúe para producir la señal observada, valor que también se expresa utilizando el número equivalente de desviaciones estándares para una distribución normal (σ). Estos valores pueden ser locales, alrededor de un cierto valor de la masa, o globales, con objeto de corregir el efecto “mirar hacia otra parte” (“look-elsewhere”).

Observación del Higgs en ATLAS. La combinación de todos los datos recogidos en 2011 a 7 TeV y entre abril y junio de 2012 a 8 TeV en los canales más sensibles permite estudiar la existencia de un Higgs en el intervalo [110, 582] GeV/c². Se excluye al 95% CL la existencia de un Higgs en los intervalos [111, 122] y [131, 559], mostrando una señal clara para un Higgs del modelo estándar con masa mH ~ 126 GeV, con al menos 6,0 σ (que corresponde a una probabilidad del 0,0000001% de que se trate de una fluctuación estadística). El análisis de los datos de 2011 y 2012 muestra un pico a ~126 GeV/c², con 3,6 σ y 4,9 σ, respectivamente, que combinadas dan 5,9 σ locales (la significación global en el intervalo no excluido [122, 131] es de ~5,1 σ). Para los canales H→γγ y H→ZZ→ℓℓℓℓ se observa una partícula con masa  126,0 ± 0,4 ± 0,4 GeV/c². La “fuerza” de la señal es de μ = 1,4 ± 0,3, consistente con la hipótesis de un SM (μ = 1).

Observación del Higgs en CMS. La combinación de todos los datos de 2011 y hasta junio de 2012 permite excluir un Higgs en los intervalos [114, 122] y [128, 600], y observar un Higgs con una significación local de 5,0 σ, es decir, de 1 entre 3 millones, con una masa de 125,3 ± 0.4 ± 0,5 GeV; en el intervalo [114, 130] GeV/c² la significación global fue de 4,6 σ. En el canal difotónico, la “fuerza” de la señal es μ = 1,6 ± 0,4, mientras que en el canal ZZ se tiene  μ = 0,7 ± 0,4.

En resumen, sendos artículos que no aportan información nueva a quien ha seguido la búsqueda del Higgs, pero que están bien y constituyen un excelente resumen de la situación el verano pasado.

36_ElbosondeHiggs

Por cierto, acaba de salir el libro Alberto Casas y Teresa Rodrigo, “El bosón de Higgs,” CSIC, 2012. Yo todavía no he tenido oportunidad de leerlo (está en mi listado de compras para estas fechas), pero tiene muy buena pinta. “¿Qué es el bosón de Higgs y por qué tiene tanta importancia? ¿Cómo se ha conseguido realizar este descubrimiento y de qué manera afecta a nuestras vidas? Este libro ofrece al lector las respuestas a estas preguntas,” pero también nos recuerda que “la naturaleza guarda misterios fascinantes que aún no han sido desvelados. Y de eso también trata este libro.” Más información y breve biografía de los autores.

PS: Los interesados en una presentación breve, pero completa, de los últimos resultados sobre el bosón de Higgs, los publicados en diciembre de 2012, pueden consultar las transparencias de las charlas de Fernando G. Monticelli (ATLAS collaboration), “ATLAS Results from Higgs searches,” SILAFAE2012, December 14, 2012 [slides], y Xavier Janssen (CMS Collaboration), “Higgs Results from CMS,” SILAFAE 2012, December 11, 2012 [slides].

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5 pensamientos en “Sendos artículos sobre el bosón de Higgs de ATLAS y CMS publicados en Science

  1. Por cierto, me fijo ahora en el gazapo del titulo: “sendos articulos en la revista science”… ¿y en cual mas?. Porque el significado de “sendos” es repartir algo, en plan “uno para cada uno” y tal. Ya se que no es muy coherente que alguien que no pone acentos vaya de taliban gramatical por la vida…

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