La importancia de la teoría en el descubrimiento del bosón de Higgs

Dibujo20130722 tevatron run II higgs exclusion vs theory LO NLO NNLO

Mucha gente olvida la enorme importancia de los cálculos teóricos sobre las desintegraciones del bosón de Higgs del modelo estándar en el descubrimiento temprano del Higgs en el LHC en julio de 2012. Estos cálculos han sido realizados por los físicos especialistas en fenomenología del modelo estándar. Gracias a que la sección eficaz (o probabilidad) de desintegración del Higgs ha crecido conforme se han obtenido mejores predicciones teóricas se pudo realizar el descubrimiento (alcanzar 5 sigmas) hace un año. Puede parecer trivial pasar de NLO a NNLO, pero ha requerido un gran esfuerzo; de hecho, aún no se ha calculado el siguiente orden NNNLO, aunque se está trabajando en ello. Esta figura muestra el límite de exclusión obtenido por el Tevatrón Run II en el Fermilab (línea negra continua) comparado con las predicciones del modelo estándar (SM=1) para el primer orden (LO), segundo orden (NLO) y tercer orden (NNLO). Para el LHC los resultados teóricos son similares. Todo el mundo espera que los cálculos NNNLO estén disponibles antes de 2015, luego antes de que se acumulen nuevas colisiones en el LHC se podrá mejorar nuestro conocimiento sobre el Higgs utilizando las colisiones de 2011 y 2012. Nos lo contó Robert Harlander (Bergische Universität Wuppertal), “Discovery of a Higgs boson – The role of theory,” slides LHCP’13, May 13, 2013, y nos lo recuerda Christophe Grojean (ICREA@IFAE/Barcelona), “The scalar sector of the SM and beyond,” slides HEP-EPS’13, July 22, 2013.

Dibujo20130722 higgs hadron-level cross section LO NLO NNLO NNNLOapprox

Como muestra esta figura, se estima que las correcciones NNNLO serán pequeñas, pero también serán a favor respecto al cálculo NNLO, que fue un ~30% mayor que las correcciones NLO, que fueron un ~80% mayor que las correcciones LO; hay correcciones llamadas NNLL que son un ~10% mayores que las NNLO. Recuerda que LO significa “leading order” y que NLO es “next to leading order” y así de forma sucesiva. Estos valores se obtienen calculando una enorme cantidad de diagramas de Feynman y utilizando simulaciones de tipo Montecarlo. Los ordenadores son imprescindibles, pero la explosión combinatoria requiere que físicos expertos “ordenen” los cálculos de forma adecuada para reducir el coste.

Dibujo20130722 signal strength mu versus LO NLO NNLO for ATLAS - higgs boson

Mi objetivo con esta entrada no es mostrar cómo se realizan estos cálculos sino la gran variación que hay en todos los parámetros del bosón de Higgs en función de las predicciones teóricas. En este último año no sólo se han analizado más datos de colisiones sino también se han mejorado los cálculos teóricos. Esto es importante tenerlo muy presente cuando se interpreta un resultado como μ = 1,30 ± 0,20 para el cociente entre la sección eficaz total del Higgs observado (a fecha de marzo de 2013 tras el análisis en ATLAS de todos las colisiones de 2011 y 2012) y la predicción del modelo estándar. No se puede afirmar que dicho resultado implica que μ está a 1,5 σ de la unidad, pues el cálculo teórico NNNLO hará que se encuentre a menos de 1 σ (aunque todavía no se ha realizado este cálculo, ya hay aproximaciones al resultado). El acuerdo entre experimento y teoría es mejor de lo que muestra un número o una figura obtenida usando los cálculos teóricos actuales.

Dibujo20130722 number of diagrams and integrals from LO to N3LO

Interpretar los resultados de los experimentos nunca ha sido fácil en física, pero para problemas tan complejos como los de física de partículas en enormes instalaciones como los grandes detectores del LHC lo es aún más. No lo olvides.

Por cierto, aprovecho para recomendar el audio MP3 de la conferencia de Antonio Pich y Carmen García sobre el bosón de Higgs en la inauguración de la exposición del CERN en Valencia con motivo de la Bienal de Física. ¡Qué la disfrutes!