Francis en Trending Ciencia: El Higgs invisible

Hoy se inicia la segunda temporada de Trending Ciencia. En este enlace puedes escuchar mi primer podcast sobre Física, que trata sobre el Higgs invisible. El 8 de octubre sabremos quién recibirá el Premio Nobel de Física de 2013. Bueno, en realidad ya lo sabemos, todas las apuestas apuntan a que lo recibirán el escocés Peter Higgs y el belga François Englert, que ya recibieron junto al CERN el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica de 2013. Por ello voy a dedicar mis primeros podcasts sobre Física para la nueva temporada de Trending Ciencia a hablar de diferentes aspectos de la física del bosón de Higgs.

Más información en Tommaso Dorigo, «Invisible Higgs Not Seen!,» AQDS, Sep 4, 2013; el artículo más reciente sobre la búsqueda del Higgs invisible es The CMS Collaboration, «Search for invisible Higgs decays in the VBF channel,» CMS PAS HIG-13-013, Aug 30, 2013. Más información técnica en las charlas de Monoranjan Guchait, «Looking for invisible Higgs signal at the LHC,» [pdf slides], y P. S. Bhupal Dev, «Invisible Higgs Decay to Light Sneutrinos,» [pdf slides], ambas en la 21st Int. Conf. on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY13), ICTP, Trieste, 26-31st August, 2013.

Hoy empezaré con el «hombre invisible,» quiero decir con el «Higgs invisible.» No, no creas que Peter Higgs se ha tomado un combinado de monocaína, la poción de invisibilidad, para evitar perder la modestia que le ha caracterizado durante toda su vida. El «Higgs invisible» es como los físicos llamamos a las desintegraciones invisibles del bosón de Higgs, las desintegraciones invisibles para los detectores de partículas de los colisionadores como el LHC (el Gran Colisionador de Hadrones) del CERN. ¿Qué es una desintegración invisible? Si es invisible, ¿cómo es posible detectarla? ¿Cómo vería un físico al hombre invisible?

«El hombre invisible» («The Invisible Man») es una famosa novela de ciencia ficción escrita por H.G. Wells y publicada en 1897. Su primera adaptación al cine fue la película homónima «El hombre Invisible» producida en 1933 por Universal Pictures y dirigida por James Whale. Jack Griffin, interpretado por Claude Rains, es un científico que descubre un fármaco llamado Monocaína capaz de cambiar el índice de refracción de todos los órganos del cuerpo de una persona para hacerlo coincidir exactamente con el del aire; prueba consigo mismo y se vuelve invisible, pero Griffin no sabe cómo volverse a sí mismo visible. Los efectos secundarios de la monocaina le vuelven loco, planea la dominación del mundo con la ayuda de «ejércitos invisibles» y comete un crímen. El jefe de Policía lo descubre gracias a sus huellas en la nieve, le dispara y Griffin muere. En su lecho de muerte proclama que «hay cosas que el hombre debe dejar en paz.»

Las huellas en la nieve del hombre invisible son similares a las huellas que el Higgs invisible deja en los detectores de partículas del LHC. El jefe de Policía observa que falta algo de nieve en el suelo, no puede ver al hombre invisible, pero la pequeña pérdida de nieve en el suelo indica su presencia fuera de toda duda. Hay muchas partículas que son invisibles a los detectores de partículas en el LHC. Esas partículas se descubren gracias a la pérdida de energía y de momento en las colisiones de partículas. Si al aplicar las leyes de conservación de la energía y el momento a una colisión concreta observamos que falta energía y momento, los físicos no pensamos que estas leyes se violan, todo lo contrario, las usamos para predecir la existencia de una partícula invisible a los detectores. Así es como se detectan los neutrinos, de hecho así es como Pauli predijo su existencia en 1930. Los neutrinos son partículas cuya masa es tan minúscula que su interacción con los detectores de partículas está fuertemente suprimida. La única manera de detectar neutrinos en los detectores del LHC es gracias a la energía y momento que falta en ciertas colisiones que dejan una señal asimétrica que en apariencia viola las leyes de conservación de la energía y el momento.

 

La física del Higgs invisible es el estudio de sus desintegraciones invisibles, las desintegraciones del bosón de Higgs en partículas que no se pueden observar en los detectores como ATLAS y CMS del colisionador de proLHC en el CERN. El bosón de Higgs predicho por el modelo estándar presenta dos desintegraciones invisibles. Por un lado, la desintegración directa en dos neutrinos (H→ν ν), imposible de observar porque su probabilidad es extremedamente pequeña al ser proporcional al cociente entre la masa de los neutrinos y la masa del Higgs; recuerda que los neutrinos tienen una masa un billón de veces más pequeña que el Higgs. Y por otro lado, la desintegración indirecta en cuatro neutrinos mediada por dos bosones Z; el Higgs se desintegra en una pareja de bosones Z, uno de ellos virtual, que a su vez se desintegran cada uno en una pareja de neutrinos (H→Z Z*→ν ν ν ν). Un bosón Z se desintegra el 20% de las veces en dos neutrinos, pero la desintegración del Higgs en cuatro neutrinos totaliza menos del 1% de las desintegraciones de Higgs en el LHC. Por este motivo, el efecto de esta desintegración en las búsquedas realizadas hasta ahora es muy pequeño.

El interés en la física del Higgs invisible es debido a que es una puerta hacia física más allá del modelo estándar. Sabemos que existe la materia oscura, pero no sabemos aún si se trata de una nueva partícula y cuál puede ser su masa. El Higgs invisible permitiría descubrirla si se tratara de una nueva partícula con una masa inferior a la mitad de la masa del Higgs (unos 63 GeV), pues el Higgs se podría desintegrar en una pareja de estas partículas (H→χ χ). La posible partícula de materia oscura ligera sería invisible a los detectores del LHC (pues en otro caso ya habría sido descubierta), pero haría que las desintegraciones invisibles del Higgs fueran mucho más probables. Observar alguna desintegración invisible del bosón de Higgs sería una señal muy clara de física más allá del modelo estándar.

¿Cómo se están buscando las desintegraciones invisibles del Higgs en el LHC? Se están estudiando dos canales, el canal ZH y la producción por fusión de bosones vectoriales. En el primer caso, en la colisión de dos protones se produce la colisión de una pareja quark-antiquark, que se fusiona produciendo un bosón Z de alta energía, que se desintegra en un Higgs y en otro bosón Z; el Higgs se desintegra de forma invisible pero el bosón Z se desintegra en un par de leptones (pareja electrón-positrón o muón-antimuón). El estudio de esta colisión muestra una pérdida de energía y momento asociada al Higgs que permite descubrir su presencia. Y en el segundo caso, dos quarks, uno de cada protón que colisiona, emiten un bosón vectorial (sea W o Z) que posteriormente se fusionan entre sí para dar lugar a un Higgs que se desintegra de forma invisible; en este canal se observan dos quarks (es decir, dos chorros de hadrones) dirigidos en la misma dirección, lo que indica que falta algo en la colisión, la energía y momento del Higgs. Tanto ATLAS como CMS han buscado el Higgs invisible en ambos canales.

¿Qué sabemos sobre el Higgs invisible? Nadie ha observado un Higgs invisible por lo que lo único que sabemos son límites superiores a la probabilidad de que ocurra (límites superiores a su tasa de desintegración o branching ratio). Por ahora sabemos poco. En el canal ZH, los límites superiores para la probabilidad de desintegración invisible de un Higgs obtenidos por ATLAS y CMS son de 65% y 75%, respectivamente, ambos valores al 95% de intervalo de confianza. En el canal de fusión de bosones vectoriales sólo ha publicado su búsqueda CMS (pronto espero que se publique la de ATLAS) y el resultado es una probabilidad superior del 69% al 95% CL. Combinando todos los datos de ATLAS y CMS en los canales de desintegración del Higgs se puede reducir este valor a sólo el 28% (también al 95% CL). Por ahora son valores superiores muy groseros, ya que sabemos muy poco sobre el Higgs invisible.

El LHC ha acumulado pocas colisiones entre 2011 y 2012, unos 20 inversos de femtobarn por detector. Cuando arranque en 2015 se acumularán más de 100 inversos de femtobarn de colisiones lo que permitirá reducir las probabilidades superiores para el Higgs invisible en los dos canales a un valor inferior al 5%; además, se podrá buscar el Higgs invisible en un tercer canal, la producción de dos parejas de quarks top, dos de los cuales se fusionan para dar lugar a un Higgs. Además, con 100 inversos de femtobarn de colisiones, combinando todos los canales de búsqueda se explorará el Higgs invisible hasta una probabilidad cercana, pero inferior, al 1%. Si existe una partícula de materia oscura ligera observable gracias al Higgs invisible es muy posible que sea descubierta en el LHC.

En resumen, no hay mucho que podamos contar sobre el Higgs invisible, salvo que es el camino más prometedor para encontrar nueva física más allá del modelo estándar en la física del Higgs. Una búsqueda difícil que está dando sus primeros frutos.