El estudio del campo de Higgs gracias al bosón de Higgs

Dibujo20121229 higgs cake - 80 years old

Encontrar el bosón de Higgs ha sido el primer paso para entender la rotura espontánea de la simetría electrodébil, el mecanismo que genera la masa de las partículas (que tienen masa). El segundo paso es determinar las propiedades de la nueva partícula; entre ellas las más importantes son cómo se acopla al resto de las partículas, con objeto de verificar si este acoplamiento es proporcional a la masa de dichas partículas, como predice la teoría. Y el tercer paso, quizás el más importante, es estudiar cómo se acoplan los bosones de Higgs entre sí, ya que esta interacción múltiple es el único medio de reconstruir el potencial escalar del campo de Higgs \Phi. Nos lo cuentan J. Baglio, A. Djouadi, R. Grober, M. M. Muhlleitner, J. Quevillon, M. Spira, “The measurement of the Higgs self-coupling at the LHC: theoretical status,” arXiv:1212.5581, 21 Dec 2012.

La versión más sencilla para el potencial del campo de Higgs (la utilizada en 1964) es

\displaystyle{}V_H(\Phi^\dagger\Phi)=\mu^2\Phi^\dagger\Phi+\frac12\lambda(\Phi^\dagger\Phi)^2,\qquad\lambda=\frac{M_H^2}{v^2},\qquad\mu^2=-\frac{1}{2}M_H^2,

donde v=246 GeV. Este potencial se puede reescribir como la interacción entre tres bosones de Higgs, un auto-acoplo triple \lambda_{HHH}, cuyo valor en el modelo estándar está relacionado de forma unívoca con la masa del bosón de Higgs según

\displaystyle{}\lambda_{HHH}=\frac{3\,M_H^2}{v}.

En los colisionadores, el estudio de este acomplamiento requiere la producción de al menos dos bosones de Higgs en el mismo vértice (colisión), lo que significa que hay que producir un Higgs virtual (off-shell) que se desintegre en un par de bosones de Higgs (on-shell).

Dibujo20121229 Some generic Feynman diagrams contributing to Higgs pair production at hadron

Hay cuatro mecanismos básicos para la producción de un par de Higgs en un colisionador de hadrones como el LHC: (a) la producción por fusión de gluones, gg{\to}HH, mediada por bucles (loops) con quarks pesados (sobre todo quarks top); (b) la producción por fusión de bosones vectoriales WW/ZZ, $latex qq'{\to}V^*V^*qq'{\to}HHqq’,$ donde V=W, Z (dos chorros hadrónicos acompañan a los dos Higgs); (c) el proceso de Higgs-strahlung doble, q\bar{q}' \to V^*{\to}VHH, con V=W,Z (con los Higgs emitidos por radiación a partir de bosones vectoriales); y (d) la producción de dos Higgs asociados a la de un par de quarks top-antitop, pp{\to}t\bar{t}HH. Todos estos procesos son muy “raros” en el LHC, ya que su sección eficaz es uno dos órdenes de magnitud menor que la de producción de un solo Higgs, con lo que se requieren al menos cien veces más colisiones que las utilizadas en el descubrimiento de 2012. El estudio del potencial del campo de Higgs requiere colisionadores más allá del LHC. Se han propuesto mejoras del LHC para alcanzar muy alta luminosidad (HL-LHC) y/o muy alta energía (HE-LHC), pero hasta finales de la década de los 2020, como pronto, no podemos esperar que se obtengan los primeros resultados.

Dibujo20121229 total cross sections including higher-order corrections

Pero los físicos siempre queremos el no va más y también nos gustaría estudiar el auto-acoplo cuádruple del Higgs, que en el modelo estándar está dado por

\lambda_{HHHH}=3M_H^2/v^2.

La probabilidad de este acoplamiento (tan interesante como importante) es tan baja que en la actualidad los físicos no han sido capaces ni de calcularla, por lo que no parece razonable que podamos estudiarla hasta dentro de varias décadas. ¿Cuándo habrá un LHC o similar con una energía de 30 TeV c.m.? ¿Habrá algún día un LHC o similar con una energía de 100 TeV c.m.? Los físicos pedimos mucho, pero quien no llora, no mama. El LHC nos permitirá obtener unos 300 /fb de colisiones a 14 TeV c.m. alrededor de 2023; si al final se selecciona el proyecto HL-LHC como su futuro, podríamos tener unos 3000 /fb de colisiones alrededor de 2030. Con estos números podremos explorar el potencial del campo de Higgs vía el acomplamiento \lambda_{HHH}. Pero no será fácil. Tanto los detectores (ATLAS y CMS) como los algoritmos de análisis tendrán que mejorar mucho para lograrlo.

Como siempre que uno habla del futuro conviene hacerlo con los pies en la tierra, quizás convenga recordar el estado actual de la búsqueda del bosón de Higgs.

Dibujo20121218 ATLAS - CMS - LHC recorded luminosity - 2012

El último día de colisiones protón-protón en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN fue el pasado domingo 16 de diciembre. Las colisiones protón-protón no volverán al LHC hasta noviembre de 2014 (salvo que la reparación del anillo del LHC, llamada LS1, requiera más o menos tiempo del previsto). Las colisiones p-p a 8 TeV c.m. en el LHC durante 2012 han sido todo un éxito, no solo por el descubrimiento del bosón de Higgs, sino también porque se han superado todas las expectativas y se han logrado almacenar en disco 21,7 /fb en ATLAS y 21,8 /fb en CMS (en LHCb han sido 2.1 /fb); recuerda que los análisis publicados el pasado 13 de diciembre utilizaron 13,0 /fb tanto en ATLAS como CMS. Esto significa que se han acumulado unos 6 mil millones de sucesos en ATLAS y CMS (de un total de unos 500 billones de colisiones en el LHC), unos 26 PB (petabytes) de datos, que si fueran almacenados en discos DVD, colocados uno encima de otro (sin caja) formarían una montaña de unos 20 km de altura (casi el doble de la altura de vuelo de los aviones comerciales).

Dibujo20121218 ATLAS 2011-2012 evidence Higgs boson

Parece imposible. Esta figura de ATLAS, hay una similar para CMS, muestra que en julio de 2011 no había pruebas del Higgs, en diciembre de 2011 había unas 3,5 sigmas, en la primavera de 2012 bajó a 3,0 sigmas, el 4 de julio se alcanzaron de forma preliminar las 5,1 sigmas, y el 31 de julio se publicó de forma oficial que eran 5,9 sigmas. El pasado jueves, 13 de diciembre, se publicó el último dato, tras analizar 4,8+13,0 /fb de colisiones se lograron 6,1 sigmas. Increíble. En un solo año hayamos pasado de la oscuridad a la luz sobre el Higgs, casi sin darnos cuenta. Ya sabemos que la nueva partícula tiene masa entre 125 y 126 GeV/c² y que es consistente con el bosón de Higgs del modelo estándar, aunque aún no podemos asegurar que lo sea al 100%.

Los modos de desintegración fermiónicos (ττ y bb) necesitan más datos (el ττ demostrará que la nueva partícula no tiene espín 2). Los modos de desintegración WW y ZZ con consistentes con el Higgs del modelo estándar (en especial este último, que en ATLAS lo clava). El modo γγ, que demuestra que la partícula no tiene espín 1 gracias al teorema de Landau-Yang, parece reforzado, como si el nuevo Higgs se desintegrase más fácil de esta forma que lo predicho por el modelo estándar. La razón de esta anomalía en el canal γγ puede ser tan sencilla como que no sabemos estimar correctamente los sucesos de fondo (es decir, nuestra incertidumbre sobre las predicciones de la QCD), o que hay una fluctuación estadística (ya que con pocos datos la estadística suele jugar malas pasadas).

¿Cuál es la masa del bosón de Higgs con los datos actuales? El canal con mejor resolución en la masa del Higgs es el canal difotónico, con lo que la masa del Higgs es más próxima a 126 GeV que a 125 GeV. El canal con la señal más limpia (mayor relación señal/ruido) es el canal ZZ a 4 leptones, que da una señal que clava las expectativas para el Higgs del modelo estándar. El canal WW es algo peor en ambos aspectos, pero también da una señal que apunta a un Higgs del modelo estándar. Otros canales importantes, aunque con mucha peor relación señal/ruido y resolución en masa, son los canales fermiónicos (tau-tau, leptónico, y b-bbar, hadrónico).

Dibujo20121219 ATLAS Higgs bbar event 2012-07-29

Este suceso de ATLAS es candidato a la desintegración de un Higgs en un par de quarks bottom-antibottom; para reducir los sucesos de ruido de fondo, pues en las colisiones se producen gran número de chorros hadrónicos asociados a quarks bottom, se busca este tipo de desintegración del Higgs asociado a la producción de bosones W o Z. En este suceso concreto se presenta una colisión de tipo qq→W*→WH, W→νμ, y H→bb (el neutrino no se observa pero se infiere su presencia y energía por argumentos cinemáticos).

Dibujo20121219 ATLAS Higgs bbar exclusion plot

Como se muestra en esta figura de exclusión (izquierda), todavía el canal b-bbar no es sensible a un Higgs con masa entre 125-126 GeV (en concreto se obtiene un valor límite 1,8 × SM, cuando será sensible para un valor < 1 × SM). Lo más interesante de este canal es que el valor para la “fuerza” (strength) de la señal del Higgs utilizando solo datos de 2012 está centrado en la unidad (μ(√s=8 TeV) = 1,0 ± 0,9 ± 1,1), aunque la incertidumbre todavía es muy grande (el valor mostrado en rojo en la figura es el valor combinado 2011+2012). Como muestra la parte derecha de la figura, el canal tau-tau tampoco es sensible a un Higgs (en concreto se obtiene un valor límite  1,9 × SM para un Higgs con masa 125 GeV). La “fuerza” de la señal del Higgs está cercana a la unidad (μ = 0,7 ± 0,7). Más información en Wahid Bhimji (University of Edinburgh, On behalf of the ATLAS collaboration), “Overview of Higgs Results from ATLAS,” Rencontres du Vietnam, Quy Nhon, 17th December 2012 [slides].

Dibujo20121229 higgs mass - summary - december 2012

Esta tabla resume la situación a fecha de principios de diciembre de 2012 (fuente: Quantum Diaries). “Los márgenes de error son todavía muy grandes, lo que significa que serán necesarios más datos. La nueva actualización será publicada en marzo de 2013. ¡La física de altas energías requiere mucha paciencia!”

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2 pensamientos en “El estudio del campo de Higgs gracias al bosón de Higgs

  1. Lo mas sabroso de esta cuasidemostracion de la teoria del campo de Higgs es ese rico quequepastel, que sin duda los fisicos son los que lo disfrutaran mas.La cereza del pastel.Si la cereza del quarkzpastel puede ser que tenga spin 2,lo que no se comprende es la aceituna negra o bien que la falta de energia luminosa nos impida disipar toda la oscuridad de la actual demostracion en forma de queque cuasidemostrado digo quarkdemostrado.Feliz 2013.Martin.

  2. Quisiera dejar constancia del efecto frenado que da la masa, la gravedad y la inercia. A dicho efecto frenado lo he presentado en dos Congresos Internacionales y he expuestos en dos libros, uno de Física y otro de Cosmología.
    El campo de Higgs. al que yo llamo espacio vibratorio en expansión, confiere la masa a través de su energía cinética.

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