ATLAS confirma la observación de CMS del «ridge» en las colisiones protón-plomo

En «Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,» hablé de un fenómeno que observó CMS en la prueba piloto realizada en septiembre de 2012 de colisiones de protón contra núcleo de plomo (p-Pb) a 5,02 TeV c.m. en el LHC (CERN). Hoy se publica que ATLAS ha confirmado el mismo fenómeno utilizando los datos de dicha prueba piloto, es decir, correlaciones entre pares de partículas en el diagrama que muestra el ángulo azimutal relativo (∆φ) versus la pseudorapidez (∆η); recuerda que la pseudorapidez se obtiene a partir del ángulo polar (en coordenadas esféricas) mediante un cambio de variable. Este «ridge» observado también en colisiones Pb-Pb en CMS, ATLAS y ALICE, aún no tiene una explicación convincente. El nuevo artículo técnico es ATLAS Collaboration, «Observation of Associated Near-side and Away-side Long-range Correlations in sqrt(s_NN)=5.02 TeV Proton-lead Collisions with the ATLAS Detector,» arXiv:1212.5198, 20 Dec 2012.

 

ATLAS y CMS ya superan los 10 /fb de colisiones en 2012, y LHCb supera 1 /fb

Hoy sábado los experimentos ATLAS y CMS del LHC en el CERN han logrado acumular 10,02 y 10,04 inversos de femtobarn (1/fb) de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m.; el experimento LHCb ha acmulado 1,02 /fb y ALICE 2,30 /pb (LHC statistics; ATLAS luminosity; CMS luminosity). El ritmo actual de colisiones equivale a 1 /fb (inverso de femtobarn) a la semana en ATLAS y CMS lo que implica que para el 16 de septiembre se habrán acumulado unos 15 /fb en cada uno de ellos, lo que a su vez sugiere que en las conferencias en octubre podría publicarse un nuevo resultado sobre la búsqueda del bosón de Higgs con, más o menos, el doble de colisiones de las utilizadas en el anuncio del 4 de julio. Para diciembre/enero podríamos estar hablando de otros 10 /fb adicionales, es decir, un total de 30 /fb sumando las colisiones de 2011 y 2012. Más información en Philip Gibbs, «10/fb LHC Update,» viXra log, August 4, 2012.

Los dos artículos que aparecieron en ArXiv el 31 de julio (versión final de lo anunciado el 4 de julio) indican que ATLAS ha observado con 5,9 sigmas una nueva partícula consistente con un bosón de Higgs con una masa de 126,0 ± 0,4 ± 0,4 GeV/c² [paper en ArXiv], mientras que CMS la ha observado con 5,8 sigmas y una masa de 125,3 ± 0,4 ± 0,5 GeV/c² [paper in ArXiv]. Para octubre se sabrá con bastante seguridad si la nueva partícula es el Higgs predicho o un primo (impostor); aún así, habiendo ya anunciado una rueda de prensa para diciembre, no sé si se publicarán nuevos análisis en octubre o si se retrasarán hasta final de año (yo apuesto por esto último).

Un buen resumen del estado presente y futuro (a corto plazo) de la búsqueda del Higgs en CMS nos la ofrece Markus Klute (MIT), «Higgs Physics in CMS – Status and Future,» LHC Search Strategies, Perimeter Workshop, August 2nd, 2012 [slides].

ATLAS observa un bosón de Higgs con 126 GeV con 5,9 sigmas

Como muestra esta figura, tras incorporar el canal WW a la búsqueda del Higgs, el detector ATLAS del LHC ha observado un bosón de Higgs con una masa de 126,0 ± 0,4 (stat)  ±  0,4 (sys) GeV/c² con una confianza estadística de 5,9 σ (sigmas), es decir, la probabilidad de que los resultados sean debidos a ruido de fondo es de 1 en 588 millones. Se han analizado 4,8 /fb de datos de colisiones a 7 TeV c.m. obtenidos en 2011 y 5,8 /fb de datos a 8 TeV c.m. en 2012. La gran novedad respecto al resultado publicado el 4 de julio es la adición del canal H→WW*→eνμν, la desintegración de un Higgs en un par de W, uno de ellos virtual, que se desintegran en un par de leptones cargados (un electrón y un muón) y un par de neutrinos. El nuevo artículo técnico, enviado a Physics Letters B, es The ATLAS Collaboration, «Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC,» CERN-PH-EP-2012-218, July 31, 2012 [los físicos teóricos disfrutarán de todas las figuras de ATLAS en esta web]. Se han hecho eco de esta noticia muchos blogs, entre ellos Tommaso Dorigo, «ATLAS: 5.9 Sigma For A 126 GeV Higgs !,» AQDS, July 31st 2012.

Básicamente, lo que se ha hecho es combinar los resultados para el canal WW que ya se habían publicado (yo me hice eco el 18 de julio). Por tanto, para los que siguen las noticias sobre el Higgs en este blog no es ninguna novedad. Sin embargo, aparecen varias figuras de gran belleza en el artículo que creo que deben ser comentadas.

Esta figura muestra el mejor ajuste de la señal observada a los datos experimentales. Un valor de μ = 1 corresponde a la existencia del bosón de Higgs predicho por el modelo estándar con cierta masa y un valor μ = 0 a su no existencia. El valor de μ = 1,4 ± 0,3 para un Higgs con 127 GeV puede parecer un poco alto, pero es consistente con el predicho por el modelo estándar. Más aún, cuando se combina con los resultados de CMS y del Tevatrón esta desviación se reduce muchísimo y el valor μ = 1 brilla con luz propia. Por lo tanto, si el Higgs observado no es el del modelo estándar, su desviación respecto a éste es muy pequeña.

Esta figura muestra que no solo se ha descubierto un Higgs con una masa de 126 GeV a 5,9 sigmas, sino que también se ha excluído que haya otro con una masa menor de 400 GeV con más de 5 sigmas (y menor de 600 GeV con al menos 2 sigmas). Este resultado es muy importante porque la supersimetría (SUSY) predice la existencia de dos bosones de Higgs neutros de paridad par (h y H); lograr que la masa de estos dos bosones no esté próxima requiere ajustes finos de los parámetros de los modelos SUSY, algo que desagrada a muchos teóricos (pues se supone que gracias a la SUSY se evitan otros ajustes finos y molesta que aquí haya un «a lo comido por lo servido»).

Los que echen en falta las figuras con banda brasileña, que conforme pasen los meses acabarán quedando en desuso, incluyo ésta.

Muchos os preguntaréis, ¿cuál es la importancia de la adición del canal WW y el paso de 4,9 a 5,9 sigmas? Para ser sinceros, la diferencia entre 5 y 6 sigmas es muy pequeña. La adición del canal WW, así como los canales ττ y bb, aporta poco porque son canales que requieren un análisis de un mayor número de datos para ser realmente significativos. Como muestra la curva azul en esta figura, por alguna razón que aún se desconoce hay una fluctuación hacia arriba respecto a las expectativas de más de dos sigmas. Con toda seguridad esta fluctuación (que se observa en ATLAS pero no en CMS y el Tevatrón) es la responsable de que aún haya algunas dudas en la comunidad de físicos sobre si el bosón descubierto es el predicho por el modelo estándar o un impostor. En mi opinión (no soy experto), esta fluctuación desaparecerá con los datos que se publiquen en diciembre de 2012. Los canales responsables de esta fluctuación son los más difíciles de estudiar y los menos sensibles (con los datos acumulados hasta ahora), por lo que son los más susceptibles de presentar este tipo de comportamientos anómalos. Aún así, hay una pléyade de físicos teóricos tratando de diseñar modelos del bosón de Higgs (no es fácil) que presenten este comportamiento anómalo, a ver si el burro toca la flauta y les cae la gloria por haber acertado.

Ya sabéis mi opinión. Ante la duda, la navaja de Ockham.

PS: También se ha publicado el artículo de CMS con los datos sobre el Higgs anunciados el 4 de julio. Este artículo indica que se esperaban 5,8 sigmas, pero que solo se han logrado 5,0 sigmas; esto es normal, a veces hay fluctuaciones a favor y a veces las hay en contra. El artículo, también enviado a Physics Letters B, para los físicos interesados en los detalles, es The CMS Collaboration, «Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC,» arXiv:1207.7235, Subm. 31 Jul 2012.

Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas «luces» en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), «Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was «Higgs-CMS»),» ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).

En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), «Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,» ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.

¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).

Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con «alfileres.» ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), «Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,» ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.

Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σ_SM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), «Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,» ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), «Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,» ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.

En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.

Se refuerza la señal del Higgs observada en ATLAS y CMS del LHC en el CERN

Hoy se han hecho público los artículos técnicos de ATLAS y CMS para la búsqueda del Higgs en el LHC con los datos de 2011 (que fueron presentados de forma preliminar en una rueda de prensa en diciembre). La señal de un Higgs a 125 GeV se refuerza en CMS, pasando de 2,5 σ a 3,1 σ y en ATLAS, alcanzando 4,3 σ. Esta confianza estadística local apunta a que hay una probabilidad del 99,996% de que el Higgs exista y tenga dicha masa. Aún así, todavía es pronto para asegurar algo con rotundidad y habrá que esperar a marzo, como pronto, cuando se publique el resultado combinado ATLAS+CMS; todo apunta a un nuevo refuerzo de la señal. Si el LHC logra recabar 5 /fb de datos de colisiones en 2012 para principios de junio y dichos datos refuerzan aún más la señal observada hasta ahora, a finales de este verano podríamos estar ante la noticia del descubrimiento del Higgs. Aún así, todavía es pronto para cantar victoria. Los artículos técnicos con ATLAS Collaboration, «Combined search for the Standard Model Higgs boson using up to 4.9 fb−1 of pp collision data at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector at the LHC,» CERN-PH-EP-2012-019, 07 Feb. 2012 [PDF], y  CMS Collaboration, «Combined results of searches for the standard model Higgs boson in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,» CMS-HIG-11-032-004, 07 Feb. 2012 [PDF]. Me he enterado gracias a Geoffrey Brumfiel, «Higgs signal gains strength,» Nature News Blog, 07 Feb 2012. También puedes la noticia en «Update: Higgs search papers submitted for publication,» ATLAS News, 7 February 2012, y «CMS Higgs boson search results from 2010-2011 data samples,» CMS News, 7 February 2012.

El nuevo resultado combinado de ATLAS (cuya figura más interesante abre esta entrada) utiliza, según el canal, entre 1,04 /fb y 4,9 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. La interpretación de los datos requiere considerar una hipótesis. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs no existe, el análisis de ATLAS reafirma esta hipótesis al 95% de nivel de confianza (CL) en el intervalo de masas entre 124 y 519 GeV. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs existe, el análisis de ATLAS descarta con una confianza del 95% que tenga una masa entre 112,9 y 115,5 GeV (mejorando el resultado de LEP2 que indicaba que el Higgs tenía una masa superior a 114,4 GeV), entre 131 y 238 GeV y entre 251 y 466 GeV; en la práctica este resultado indica que si existe el bosón tiene una masa entre 115,5 y 131 GeV. El valor más probable para la masa del Higgs es de unos 126 GeV con una significación local de 3,5 desviaciones estándares (σ). Como el intervalo de masas estudiado es muy grande, entre 110 y 600 GeV, la probabilidad que una fluctuación sea responsable del exceso observado es muy alta, reduciendo la significación estadística global a solo 2,2 σ (hay una probabilidad de ∼ 1,4 % de que el resultado observado por ATLAS sea una fluctuación estadística).

El nuevo resultado combinado de CMS utiliza, según el canal, entre 4,6 /fb y 4,8 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. CMS ha estudiado más canales de desintegración del Higgs que ATLAS por lo que su sensibilidad es mucho mayor; con los datos estudiados, CMS se espera que excluyera al bosón de Higgs, si no existe, entre 118 y 543 GeV con una confianza del 95% CL. El resultado observado solo excluye el Higgs en el intervalo de masas entre 127 y 600 GeV al 95% CL y en el intervalo entre 129 y 525 GeV al 99% CL. Se observa un exceso de eventos de baja masa que es responsable de que no se haya podido excluir el intervalo entre 118 y 127 GeV. El exceso mayor se observa para una masa de 124 GeV, con una significación local mayor de 3,1 σ, pero solo de 1,5 σ en el intervalo entre 110 y 600 GeV; por supuesto, los tests de precisión del modelo estándar apuntan a una masa para el Higgs menor de 145 GeV, por lo que considerar un intervalo tan grande es poco realista; la significación estadística global en el intervalo entre 110 y 145 GeV se estima en unos 2,1 σ.

Combinando los intervalos de exclusión de CMS y ATLAS se observa que el Higgs (si existe, una coletilla que hay que poner aunque resulte pesado) tiene que tener una masa entre 118 y 127 GeV con una confianza estadística de al menos el 95% CL. El exceso alrededor de 124-126 GeV tiene que ser confirmado con el análisis de más datos. Por un lado, la combinación oficial de los datos de CMS y ATLAS que se publicará en marzo debería reforzar aún más esta señal. Los datos finales del Tevatrón, que deberían publicarse como muy tarde antes del verano, también deberían reforzar esta señal. Pero todavía es pronto, para poder afirmar con rotundidad que el bosón de Higgs habrá que esperar al análisis de al menos 5 /fb de datos de colisiones en 2012 tanto para CMS como para ATLAS. Ahora mismo se está discutiendo el futuro del LHC durante 2012. Uno de los objetivos clave será obtener al menos 5 /fb para principios de junio de 2012, con lo que a finales de agosto se podría publicar su análisis, que debería confirmar (o refutar) de forma definitiva la existencia de un Higgs con 125 GeV. Este año promete ser apasionante para el Higgs.

La agenda para el LHC en 2012 se está debatiendo en Chamonix 2012, el “LHC Performance Workshop.” La decisión final aún no está tomada. No se sabe si las colisiones serán a 7 TeV o a 8 TeV, siendo la diferencia más importante que la energía máxima almacenada en la máquina será de 124 MJ o de 142 MJ (megajulios); los responsables de la máquina creen que es seguro este incremento de energía (por ejemplo en esta charla), pero la decisión no debe ser tomada a la ligera y depende de los resultados de los análisis de las soldaduras defectuosas (que fueron críticas en el accidente de 2009 y que serán reparadas en 2013). La charla en Chamonix sobre estas soldaduras es esperanzadora y afirma con rotundidad que las colisiones a 8 TeV serán seguras si no se prolongan más allá de 8 meses (solo son un poco más inseguras que a 7 TeV).

Otra cuestión importante es si se lanzarán los paquetes de protones cada 50 ns o cada 25 ns, aunque parece claro que si se trabaja a 8 TeV se utilizará la opción de 50 ns; de hecho varias charlas en Chamonix se oponen a la opción de trabajar a 25 ns (por ejemplo ésta). Para el año 2012 parece razonable esperar que se acumulen unos 15 /fb de colisiones (que si hay suerte y todo funciona a las mil maravillas como en 2011 podrían llegar a 20 /fb). Con 15 /fb de colisiones se podrá excluir un Higgs a 5 sigma en todo el rango de masas entre 115 y 600 GeV, y caso de que se confirmara la señal de un Higgs de unos 125 GeV se podrían empezar a estudiar sus propiedades con objeto de determinar si corresponden al bosón de Higgs del modelo estándar o a alguno de sus primos.

PS: Más información en «Los últimos análisis de ATLAS y CMS sobre la búsqueda del Higgs en el LHC, listos para su publicación,» CPAN Ingenio, 7 febrero 2012.

PS (8 feb. 2012): Merece la pena leer a Matt Strassler, «Some Higgs News NOW,» Of Particular Significance, Feb. 7, 2012. Destaca que el artículo de CMS actualiza los resultados preliminares publicados en diciembre para el canal difotónico y muestra un exceso para un Higgs con una masa de 124 GeV/c² consistente con la existencia de un Higgs con dicha masa (se han observado 7 eventos con esta masa cuando se esperaban solo 2 si el Higgs no existe; los resultados preliminares de diciembre eran menos completos y mostraban un resultado mucho menos claro). Como bien dice Matt los resultados definitivos (enviados a publicación) mejoran solo un poco lo ya publicado en diciembre pero lo mejoran en el sentido de hacer más compatibles entre sí los resultados de CMS y ATLAS, lo que es una gran noticia para un Higgs con una masa entre 124 y 126 GeV.

También merece la pena leer a Tommaso Dorigo, «ATLAS And CMS Publish 2011 Higgs Results,» A Quantum Diaries Survivor, Feb. 7th, 2012. Destaca que el acuerdo entre los dos experimentos (CMS y ATLAS) es impresionante («I find the agreement of the two experimental searches impressive») lo que apunta a que se está observando el bosón de Higgs y que el intervalo más probable para su masa es 124-126 GeV, aunque un ajuste a ojo («eyeballing») las gráficas apuntan a un valor alrededor de 121 ± 5 GeV con una límite de confianza del 95% (calculado con el ojo de Tommaso que es un experto en estas lides).

Si aún quieres más, también puedes leer a:

Lubos Motl, «Higgs signal grew from 3.8 to 4.3 sigma,» The Reference Frame, Feb. 8, 2012.

Peter Woit, «Latest from the LHC,» Not Even Wrong, Feb. 7, 2012.

Jester, «Higgs: stronger and more exciting,» Résonaances, Feb. 8, 2012.

PS (9 feb. 2012): Merece la pena leer la entrada de Matt Strassler, «This Week’s Step Forward in the Search for the Higgs Particle,» Of Particular Significance, Feb. 9, 2012.

BBC News vuelve a meter la pata en un titular y afirma que el LHC ha descubierto por primera vez una nueva partícula

BBC News hace un lustro era toda una referencia a seguir en cuanto a noticias científicas. Hoy priman los titulares sensacionalistas y la «ingeniería» de la noticia. Hoy habrás leído que el LHC ha descubierto, por primera vez, una nueva partícula. Gran noticia, pero la «nueva» partícula ni es nueva (se descubrió en 1977), ni es una partícula elemental (es un mesón compuesto de dos quarks bottom). ¿Dónde está la novedad? Como el LHC es el acelerador de partículas más energético del mundo ha sido capaz de producir el estado de excitación de esta partícula, lo que los físicos llaman una resonancia, de mayor energía conocido hasta el momento. ¿Una sorpresa? Todo lo contrario, un resultado esperado y por ello un resultado menor que confirma la validez del modelo estándar. La noticia en liza es «LHC reports discovery of its first new particle,» BBC News, 22 Dec. 2011. Una buena explicación en español de la metedura de pata en Jorge Díaz, «Excitación genera descubrimiento de partícula excitada en el LHC y por qué esto no es muy excitante,» Conexión causal, 22 dic. 2011. En inglés recomiendo a Matt Strassler, «A New Particle at the LHC? Yes, But…,» Of Particular Significance, Dec. 22, 2011 (la figura que abre esta entrada es suya).

¿Por qué esta «nueva» partícula es una partícula? En física cuántica se llama «partícula» a lo que se comporta como una «partícula puntual» a cierta escala de energía, la dada por su longitud de Compton; de hecho, no sabemos aún si el electrón o los quarks son partículas compuestas o no lo son; hace 50 años el protón era considerado una partícula elemental aunque desde hace unos 40 años sabemos que no lo es. Un átomo es una partícula, porque aunque está compuesto de electrones y un núcleo (a su vez compuesto), a cierta escala se comporta como si fuera puntual. Más aún, los estados excitados de un átomo también se comportan como partículas diferentes. Los electrones en el átomo se colocan en niveles de energía discretos y en la escala de distancias para la que un átomo es una partícula puntual, los átomos excitados con diferentes niveles de energía se comportan como partículas diferentes. Exactamente lo mismo ocurre con los hadrones (partículas compuestas de quarks), tanto con los bariones (como el protón y el neutrón, formados por tres quarks), como con los mesones (como el pión o la «nueva» partícula, formados por un par quark-antiquark). Los estados excitados de los hadrones se comportan como si fueran partículas diferentes (de hecho, antes de que se descubriera que estaban compuestos de quarks se pensaba que eran partículas diferentes). A estos estados excitados se les suele llamar como «resonancias» (aunque muchos físicos también usan la palabra «partícula») y la «partícula de verdad» es la resonancia de menor energía. Estas excitaciones llamadas resonancias se clasifican igual que los átomos por dos números cuánticos asociados al momento cinético; en los átomos se llaman (L,M) y en las partículas (I,J), pero conceptualmente son la misma cosa. Por ello, igual que hay átomos excitados en orbitales S y P, también hay partículas excitadas en orbitales S y P.

La «nueva» partícula es un quarkonium (par quark-antiquark), en concreto un bottomonium (formado por un quark bottom y un antibottom). Los estados excitados de esta última los tenéis listados en la wikipedia, aunque no aparece el nuevo estado 3P, podréis ver los estados 1S, 1P, 2S, 1D, 2P, etc. No quiero entrar en más detalles técnicos. El estado de energía más bajo (lo que normalmente se llama el descubrimiento de la partícula) se observó en 1977; desde entonces, con el paso de los años, gracias al incremento de energía de los colisionadores de partículas, se han ido descubriendo nuevos estados (o nuevas «partículas»), siendo el último el publicado hoy mismo en este artículo técnico ATLAS Collaboration, «Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS,» ArXiv, submitted on 21 Dec. 2011.

¿Por qué esta noticia es importante? Las predicciones teóricas indican que esta nueva resonancia del bottomonium es la más energética que puede ser observada en el LHC de forma directa; las resonancias más energéticas se cree que no dejarán traza detectable en los experimentos del LHC porque su vida media será demasiado corta. En este sentido, este artículo es muy interesante y nos ofrece información sobre una partícula de referencia en los tests de precisión para el modelo estándar. En la próxima década se hablará bastante de las propiedades en detalle de esta nueva «partícula» que serán estudiadas con gran cuidado para tratar de descubrir en ellas cualquier desviación con respecto a las predicciones del modelo estándar. La partícula Chi_b (3P) dará bastante que hablar en las conferencias técnicas en los próximos años y creo que volverá a aparecer en este blog. Aún así, para el público general, este nuevo descubrimiento es de menor importancia.

Nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs en el LHC con hasta 2,3 /fb de colisiones

Hoy, en la conferencia Lepton Photon 2011 en Mumbai, India, se han presentado los nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs obtenidos por los dos grandes experimentos del LHC en el CERN, ATLAS y CMS, que en algunos canales de búsqueda alcanzan la friolera de 2,3 inversos de femtobarn de datos (en concreto, el canal H→ZZ→4l en ATLAS). El nuevo límite de exclusión indica que el bosón de Higgs tiene una masa entre 115 y 145 GeV/c². ATLAS no excluye los intervalos de masa entre 232 y 256 GeV/c², entre 282 y 296 GeV/c², y por encima de 466 GeV/c². CMS no excluye los intervalos de masa entre 216 y 226 GeV/c², entre 288 y 310 GeV/c², y por encima de 400 GeV/c². Los rumores que apuntaban a que el bosón de Higgs tenía una masa alrededor de 144 GeV/c² (o en el intervalo entre 135 y 145 GeV/c²) obtenidos combinando de forma no oficial los datos de ATLAS y CMS publicados en julio no han sido confirmados. Por un lado, la combinación oficial de los datos de ATLAS y CMS no se ha publicado (parece ser no estará lista hasta dentro de un par de semanas). Por otro lado, las señales de un Higgs con dicha masa en las combinaciones de ATLAS y CMS por separado, con casi el doble de datos en muchos canales, son menos claras que hace un mes; no han desaparecido, pero son menos claras, lo que podría ser indicativo de que se trata de simples fluctuaciones estadísticas. Estas nuevas figuras muestran el buen estado de la búsqueda del Higgs en el LHC y de sus dos colaboraciones principales, ATLAS y CMS. ¿Por qué no se ha publicado el resultado combinado ATLAS+CMS con datos de julio? Según Philip Gibbs, se esperaba que dicho resultado mostrara un exceso claro para un Higgs con una masa de 144 GeV, pero desde el CERN podrían haber preferido no mostrar este resultado combinado para evitar que muchos medios hagan apuestas prematuras sobre un Higgs con dicha masa. Quizás tenga razón. Lo que está claro es que la combinación no oficial es suya y que pronto publicará otras nuevas con los nuevos datos.

En relación a las figuras de ATLAS, puedes encontrar más información en «ATLAS advances in the search for the Higgs and New Physics,» ATLAS Experiment, 22 August 2011 y en el artículo técnico The ATLAS collaboration «Update of the Combination of Higgs Boson Searches in 1.0 to 2.3 /fb of pp Collisions Data Taken at √s = 7 TeV with the ATLAS Experiment at the LHC,» ATLAS-CONF-2011-135, August 21, 2011; las transparencias de la charla de Aleandro Nisati (INFN – CERN) «Higgs Searches at ATLAS,»  ya están disponibles en la web [Slides in PDF]. En relación a las figuras de CMS, puedes encontrar más información en CMS News, «New CMS Higgs Search Results for the Lepton Photon 2011 Conference,» August 22^nd 2011, y en las transparencias de la charla de Vivek Sharma (Universidad de California, San Diego), «Higgs Searches at CMS,» Lepton Photon 2011, Mumbai, 22 august, 2011 [Slides in PPTX y Slides in PDF].

Una breve explicación para los más despistados. El bosón de Higgs es una partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales. En concreto, la unificación electrodébil de las interacciones electromagnética y débil utiliza el llamado mecanismo de Higgs para explicar por qué a baja energía se observan dos interacciones separadas pero a alta energía están unificadas en una sola. El mecanismo de Higgs explica por qué los bosones débiles W y Z tienen una masa enorme (unas 90 veces la masa del protón) mientras que el fotón tiene masa en reposo nula. Como el fotón tiene masa nula, aparece una partícula neutra de espín cero (partícula escalar), el bosón de Higgs, que interacciona (de forma no lineal) consigo mismo y se dota a sí mismo de masa; esta partícula se llama bosón de Higgs porque, aunque el me. Hay una gran evidencia experimental (pruebas irrefutables) de la unificación electrodébil por lo que nadie duda de ella. Como la simetría electrodébil a baja energía está rota (electromagnetismo e interacción débil están separadas), pocos tenemos dudas de que el bosón de Higgs existe y será encontrado en el LHC del CERN.

El mecanismo de Higgs además de dotar de masa a los bosones débiles W y Z, también permite dotar de masa al resto de las partículas del modelo estándar (fermiones y quarks). Las partículas con masa interaccionan con el bosón de Higgs y adquieren masa (en lenguaje llano, una partícula «se come» un Higgs y adquiere masa). Si la constante de interacción entre una partícula y el bosón de Higgs es λ, entonces la partícula adquiere una masa M=v λ/√2, donde ves la energía a la que se produce la ruptura de la simetría electrodébil, que se estima en unos 246 GeV. Nadie sabe el porqué pero para el quark top esta fórmula da una predicción muy buena de su masa si se utiliza λ=1 (los límites experimentales indican que λ=1,0±0,1). Por alguna razón la constante de acoplamiento entre el Higgs y el quark top es igual a la unidad.

El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs porque esta masa depende de cómo interaccione el bosón de Higgs consigo mismo (en lenguaje llano, un Higgs «se come» a otro Higgs para adquirir masa). Aunque no predice su masa, fijado un valor concreto para dicha masa, el modelo estándar predice todas las demás propiedades del bosón de Higgs con gran precisión (por ejemplo, la probabilidad de su producción y/o desintegración en cualquier modo (canal) posible). Gracias a ello sabemos que encontrar el bosón de Higgs es muy difícil (la probabilidad de producirlo en el Tevatrón o el LHC es muy baja y se requiere acumular muchísimas, billones, de colisiones). Más aún cuando el acelerador de partículas LEP2 del CERN, en el que colisionaban electrones y positrones hasta septiembre de 2001, demostró que el bosón de Higgs tiene una masa en reposo mayor de 114,4 GeV/c². Una masa enorme que ha hecho casi imposible pensar en buscar el Higgs en el Tevatrón del Fermilab (cerca de Chicago) hasta llegado el año 2008. Desde entonces la búsqueda del Higgs se ha convertido en uno de los temas estrella de la física de partículas elementales.

La búsqueda de una partícula elemental predicha por el modelo estándar es mucho más fácil que la búsqueda de una partícula predicha por otros modelos de física más allá del modelo estándar porque sus propiedades se pueden calcular con precisión (no es fácil hacerlo pero hay muchos físicos que saben como hacerlo y lo están haciendo). Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice que es lo que se observará en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón o en las colisiones protón-protón del LHC, suponiendo que el bosón de Higgs existe y tiene dicha masa, y suponiendo que el bosón de Higgs no existe. Comparando ambas predicciones podemos excluir la existencia de un bosón de Higgs con cierta masa. Este proceso requiere un análisis estadístico y los resultados se obtienen con cierto nivel de confianza estadística, normalmente se usa el 95% (CL), lo que significa que hay menos de una posibilidad entre veinte de que el bosón de Higgs tenga cierto valor de la masa. El análisis estadístico requiere combinar las predicciones teóricas para varios canales de desintegración con los resultados observados en los experimentos. En el Tevatrón se está buscando el Higgs en casi 20 canales o modos de desintegración, pero en ATLAS solo se están utilizando 9 canales.

Mi aclaración sobre las figuras que abren esta entrada no era muy rigurosa así que he editado los comentarios (gracias a Alberto Ruiz que en los comentarios ha destacado mis errores). Estas dos figuras obtenidas por CMS son similares a las gráficas que abren esta entrada, pero se centran en dos canales de búsqueda del Higgs concretos, la desintegración en dos fotones (ideal para estudiar un Higgs de baja masa, pero que todavía no es capaz de excluir al bosón de Higgs en ningún rango de masas) y la desintegración en dos bosones W (ideal para estudiar un Higgs de mayor masa, que es capaz de excluir al Higgs). [Entre comillas indico las palabras de Alberto]. Estas «gráficas muestran el limite al 95% de C.L. del cociente entre la sección eficaz observada (línea continua) o esperada (línea discontinua) y la que se obtiene de la teoría» (la línea horizontal roja). «Se muestran esos límites como función de la masa del bosón de Higgs. En el caso de la esperada (el numerador de ese cociente) se refiere a la hipótesis nula, es decir, sin bosón de Higgs.» «La diferencia entre línea continua y discontinua es que la continua se basa en la observación real, los datos que se tienen, mientras que la discontinua se basa en lo que uno esperaría dadas las características del detector y del método. Esta última la que se suele estudiar primero, para conocer la sensibilidad del experimento. La continua se obtiene después, es decir se analiza un examen “ciego” antes de ver lo que proporcionan los datos, a fin de no estar sesgado el método.»

“Si el valor de la línea continua está por debajo de la unidad quiere decir que el Higgs, con esa masa, está excluido al 95%, o, dicho de otro modo, que la probabilidad de existencia del bosón de Higgs a esa masa es menor del 5%.» Cuanto más baja esté la línea, con mayor probabilidad quedará excluido el Higgs. «Como la línea discontinua se ha realizado con la hipótesis nula, cuando pasa por debajo de la unidad nos indica que el método utilizado es sensible (al 95% de CL) a la observación de la existencia del bosón de Higgs.» Por ejemplo, los datos de CMS y ATLAS son sensibles al rango de masas mayor de 130 GeV (hasta por encima de 440 GeV), sin embargo los datos experimentales solo permiten excluir al Higgs en el rango de masas mayor de 145 GeV (hasta un poco por encima de 215 GeV).

Cuando la línea discontinua está por encima de la unidad para cierta masa significa que aún no se han acumulado suficientes colisiones para observar o descartar el Higgs con dicha masa. Por ejemplo, en la figura de arriba que muestra el canal de desintegración H→γγ en el que CMS ha analizado 1,66 /fb de colisiones, aún no se han acumulado suficientes colisiones; dicha desintegración del Higgs es muy poco probable y muy difícil de observar. En la otra figura de arriba, la que muestra el canal de desintegración H→WW en el que CMS ha analizado 1,55 /fb de colisiones, se han acumulado suficientes exclusionese para excluir el Higgs en el intervalo entre 136 y 200 GeV, sin embargo los datos experimentales solo lo excluyen en el intervalo entre 147 y 194 GeV.

Tanto el resultado esperado como el resultado observado tienen cierta incertidumbre. Por costumbre se acompaña la figura de exclusión de masa del Higgs con una bonita banda brasileña (con los colores de la bandera brasileña). La banda verde corresponden a una incertidumbre estadística de una desviación típica y la línea amarilla a dos desviaciones típicas (en física de partículas un descubrimiento requiere cinco desviaciones típicas). Si la línea continua se separa mucho de la línea discontinua indica que hay una fluctuación estadística respecto a la hipótesis nula o que se esconde algo interesante respecto al bosón de Higgs para dichos valores de la masa. Por ejemplo, para la región alrededor de 144 GeV la línea continua está por encima de la unidad y es mayor de dos desviaciones típicas respecto a la línea discontinua. Una fluctuación de dos sigma, incluso de tres sigma, suele ser una fluctuación estadística (salvo en los casos excepcionales en los que es la primera señal de un descubrimiento). Un bosón de Higgs con una masa e unos 144 GeV implicaría que la línea continua baje por debajo de la unidad en la región de masas por debajo de 140 GeV, algo que no se observa en las figuas que abren esta entrada (aunque el número de colisiones acumulado por CMS sería sensible a ello por encima de 130 GeV).

Finalmente, «cuando se descubra el Higgs lo más lógico es que en torno a su valor de masa, la línea continua se mantenga por encima del valor de 1, mientras que la discontinua estará por debajo» (cuanto más abajo más clara será la señal que apunta al descubrimiento del Higgs). El rumor de este verano sobre la posible existencia de un Higgs en la región alrededor de 144 GeV (entre 135 y 145) se debe a que en dicha región se observa que la línea continua está un poco por encima de la unidad mientras que la línea discontinua está a más de dos desviaciones (sigmas) por debajo de la unidad. Las nuevas figuras de ATLAS y CMS que abren esta entrada confirman este punto, aunque con menos claridad de lo que se esperaba tras los resultados publicados en julio. Quizás todo sea una simple fluctuación estadística. Os he mostrado arriba las figuras de CMS de los canales  H→γγ y H→WW porque como se puede ver en la figura del primero hay un exceso muy claro alrededor de 140 GeV y en la segundo sin embargo dicho exceso no se observa. Quizás el origen del exceso observado en las figuras que abren esta entrada sea el exceso en el canal H→γγ, para el que los experimentos del LHC aún no tienen suficientes colisiones acumuladas como para tener una sensibilidad suficiente (la línea discontinua está entre 2 y 4).

En opinión de Alberto, «no tiene sentido» hablar todavía de pruebas que apunten al Higgs. «Si el Higgs tuviese 144 GeV, la línea negra estaría por encima de 1, hacia el valor de 144 GeV, y por debajo para el resto, si se tiene suficiente sensitividad en el resto, lo cual no será tan sencillo, sobre todo para masas en torno a 120 GeV.» Ahora mismo la línea no baja como debería, lo que descarta esta posibilidad, según Alberto de forma rotunda. Los resultados que se publicarán en diciembre de 2011 y en febrero de 2012 descartarán definitivamente un Higgs de 144 GeV, o lo confirmarán fuera de toda duda. Para entonces se espera alcanzar una sensibilidad por encima de 120 GeV y justo por debeja de los 140 GeV se alcanzará una sensibilidad superior a 4 sigma.

Todavía es pronto para lanzar las palomas al vuelo o ponerse a tañer las campanas. La búsqueda del bosón de Higgs es como novela por entregas que estamos disfrutando día a día, casi en directo. Nada similar ocurrió con la búsqueda del quark top o con ninguna otra partícula elemental predicha por el modelo estándar.

Más información en CERN Press Release, «LHC experiments present latest results at Mumbai conference,» 22 August 2011. El próximo miércoles 25 de agosto habrá una rueda de prensa en Mumbai en la participará el director general del CERN, Rolf Heuer.

Me he enterado tarde… pero hay un webcast del CERN con las charlas de Lepton Photon 2011 en directo.

Estas figuras muestran la significación estadística (CLs) con la que se excluye el bosón de Higgs del modelo estándar, tanto para CMS (arriba, con banda brasileña) como para ATLAS (abajo). Estas figuras permiten ver dónde se excluiría el bosón de Higgs sin en lugar de usar un criterio del 95% se utilizara otro criterio (el 90% o el 99%). Donde el valor presentado por estas figuras sea más pequeño más confianza se tiene a que la exclusión observada es más fiable.

Esta figura muestra los límites de exclusión para la masa del Higgs si existieran 4 generaciones de partículas. La figura excluye al 95% C.L. un Higgs con una masa en el intervalo 120-600 GeV, aunque la línea discontínua (valor teórico esperado) lo excluiría en el intervalo 116-600 GeV). La verdad es que no se ve nada claro pero parece que el exceso está entre 1 y 2 sigma. Si el bosón de Higgs fuera encontrado con una masa mayor de 120 GeV entonces esta figura excluiría una cuarta generación de partículas elementales.

Esta entrada ha tenido una vida accidentada, ya que he cambiado el título y gran parte de los contenidos durante esta mañana. Quizás haya futuros retoques, conforme hoy mismo se vayan publicando nuevos resultados sobre el Higgs que merezcan ser reportados…

La noticia sobre el Higgs en otros blogs/medios: Fermi National Accelerator Laboratory and Brookhaven National Laboratory, «LHC experiments eliminate more Higgs hiding spots,» Symmetry Breaking, August 22, 2011.

Quisiera destacar la interesante entrada de  Tommaso Dorigo, «New ATLAS Limits On Higgs Mass,» A Quantum Diaries Survivor, August 22nd 2011, que nos destaca la siguiente figura de ATLAS (que aparece en el artículo que mencio al principio de la entrada). El artículo de Tommaso, como siempre, merece la pena.

Esta figura publicada por ATLAS muestra el nivel de confianza (valor p) de compatibilidad entre los datos esperados, si hay un bosón de Higgs con cierta masa, y los datos experimentales observados. En el eje horizontal aparece la masa del bosón de Higgs. En el eje vertical hay dos curvas. La curva en negro el valor p observado para la compatibilidad entre los datos observados y el fondo de colisiones (ruido) esperado; la curva discontinua es el valor p esperado en ATLAS si hubiera un bosón de Higgs con la masa correspondiente. Una señal de la posible existencia de un bosón de Higgs con cierta masa se mostrará en esta figura como la coincidencia de ambas curvas. Para la fluctuación observada alrededor de 140 GeV, esta figura muestra que si se trata de un bosón de Higgs con esta masa entonces ATLAS ha tenido muy mala suerte (palabras de Tommaso) ya que se esperaba un exceso con más de tres desviaciones estándar y solo se obtuvieron unas dos. Según Tommaso esto indica claramente que dicha señal no está en los datos. Para Tommaso es mucho más interesante el «exceso» que se observa entre 125 y 130 GeV (flecha verde central); el exceso aparece en el gráfico donde se espera que tendría que aparecer si hubiera un Higgs allí, ya que las dos curvas negra y discontinua coinciden allí. Por supuesto, también hay otra coincidencia (primera flecha verde) alrededor de 100 GeV donde LEP2 descarta un Higgs con mucha confianza.

PS (24 ago. 2011): Geoff Brumfiel, «Higgs signal sinks from view,» News, Nature, 22 august 2011: «The Higgs boson, the most sought-after particle in all of physics, is proving tougher to find than physicists had hoped.»

Problemas criogénicos en el experimento CMS del LHC en el CERN, oficialmente ya resueltos

La inyección de haces estables más duradera en el LHC del CERN se logró ayer, fill #2000, estable durante 21:32 horas, aunque con problemas criogénicos en el experimento CMS. Con una luminosidad instantánea de 2 nb/s, ATLAS, el otro gran experimento del LHC, logró grabar en disco 90,4 /pb de colisiones. La noticia en el CERN sobre el fill #2000 aclara que CMS tuvo problemas en el sistema de refrigeración por agua que fueron resueltos sobre las 19:30 horas, por lo que no pudo tomar datos entre las 11:45 y las 02:30. Por ello, aunque el punto de colisión de CMS recibió unos 52,8 /pb de colisiones (como indica la figura que abre esta entrada), solo se pudo acumular en disco unos 25 /pb, algo es algo. Que yo sepa, oficialmente los problemas de CMS están resueltos. En las dos inyecciones siguientes, #2001 y #2002, ambas cortas, CMS no ha presentado nuevos problemas. Habrá que estar al tanto para futuras inyecciones largas, pues una figura como la que abre esta entrada (pero sin los problemas de CMS) debe ser el objetivo a lograr para el día ideal de colisiones en el LHC del CERN durante 2011. Lograr más de 100 /pb cada 24 horas en ATLAS y CMS es el objetivo a conseguir. Yo no tengo dudas que será conseguido pronto. Noticias diarias sobre el LHC. Philip Gibbs, «LHC delivers over 100/pb in 24 hours,» viXra log, también se hace eco del exitoso fill #2000 para ATLAS.

El rumor de la semana: ATLAS podría haber observado el bosón de Higgs a 4 sigma

“It is the purpose of this Note to report the first experimental observation at the Large Hadron Collider (LHC) of the Higgs particle.” Primera frase del informe interno número ATL-COM-PHYS-2011-415.

Un nuevo artículo en proceso de revisión interna dentro de la colaboración ATLAS del LHC del CERN afirma haber observado, con una significación de 4 sigma, una resonancia con una masa de 115 GeV/c² en el espectro de dos fotones utilizado en la búsqueda del bosón de Higgs. No puede ser el bosón de Higgs del modelo estándar, pues los 63’5 /pb de colisiones protón-protón estudiados no son suficientes para observarlo con una significación de 4 sigma. Por tanto, si se ha observado el bosón de Higgs, debe haber algún mecanismo desconocido que amplifique en un factor de 30 su probabilidad de desintegración en dos fotones, lo que sería una señal de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Si no se ha observado el bosón de Higgs, entonces se ha observado una nueva partícula elemental neutra que se desintegra en dos fotones, lo que también sería una señal de nueva física más allá del modelo estándar. El artículo está ahora mismo en proceso de revisión interna y sólo tienen acceso a su contenido los miembros de la colaboración ATLAS, quienes por razones obvias no pueden revelar los detalles. Más aún, dada la importancia del descubrimiento, se podría tomar la decisión de esperar a analizar más datos de colisiones que confirmen la señal observada o la desmientan. Esta semana el LHC está en modo colisiones y ayer 21 de abril se alcanzó un nuevo récord de luminosidad instantánea con 480 paquetes de protones espaciados por 50 ns; gracias a este récord se pudieron obtener 6’7 /pb de colisiones en sólo 7:30 horas.

El artículo técnico en cuestión es Y. Fang, L. R. Flores Castillo, H. Wang, S. L. Wu (Universidad de Wisconsin-Madison), «Observation of a γγ resonance at a mass in the vicinity of 115 GeV/c² at ATLAS and its Higgs interpretation,» Report number ATL-COM-PHYS-2011-415, 21 April 2011. El abstract/resumen del artículo (en su versión provisional) es el siguiente:

«Motivated by the result of the Higgs boson candidates at LEP with a mass of about 115 GeV/c², the observation given in ATLAS note ATL-COM-PHYS-2010-935 (November 18, 2010) and the publication “Production of isolated Higgs particle at the Large Hadron Collider” (Physics Letters B 683 2010 354-357), we studied the γγ invariant mass distribution over the range of 80 to 150 GeV/c². With 37.5 /pb data from 2010 and 26.0 /pb from 2011, we observe a γγ resonance around 115 GeV/c² with a significance of 4σ. The event rate for this resonance is about thirty times larger than the expectation from Higgs to γγ in the standard model. This channel H→γγ is of great importance because the presence of new heavy particles can enhance strongly both the Higgs production cross section and the decay branching ratio. This large enhancement over the standard model rate implies that the present result is the first definitive observation of physics beyond the standard model. Exciting new physics, including new particles, may be expected to be found in the very near future.»

Para los que prefieran leerlo en español:

Miembros de la colaboración ATLAS de la Universidad de Wisconsin-Madison «motivados por los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs en LEP que apuntaban a una masa cercana a 115 GeV/c², por las observaciones presentadas en la nota interna de ATLAS numerada ATL-COM-PHYS-2010-935 (enviada el 28 de noviembre de 2010 para revisión interna y que no fue aceptada para su aparición pública) y por el artículo “Production of isolated Higgs particle at the Large Hadron Collider” publicado en Physics Letters B 683: 354-357 (2010), hemos estudiado la distribución de la masa invariante de pares de fotones (γγ) en el rango de masas de 80 a 150 GeV/c². Con 37’5 /pb (inversos de picobarn) de datos obtenidos en 2010 y 26’0 /pb obtenidos en 2011, hemos observado una resonancia γγ alrededor de 115 GeV/c² con una significación (estadística) de 4σ. El número de eventos observado es 30 veces mayor que lo esperado para la desintegración en dos fotones (γγ) del bosón de Higgs. El canal de desintegración H→γγ es de gran importancia (en la búsqueda del Higgs) porque la presencia de nuevas partículas pesadas puede incrementar mucho tanto la probabilidad de producción como probabilidad de desintegración en este canal para el bosón de Higgs. Este incremento respecto a lo esperado según el modelo estándar implica que el resultado obtenido es la primera prueba definitiva de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Esperamos que se encuentre en un futuro cercano nueva física, incluyendo nuevas partículas.»

El rumor ha aparecido en un comentario anónimo a la entrada de Peter Woit, «This Week’s Hype,» Not Even Wrong, April 18st, 2011. Varios comentarios de miembros de ATLAS afirman que han visto el artículo aunque no han podido ofrecer más detalles. Peter Woit le ha dedicado una entrada específica «This Week’s Rumor,» Not Even Wrong, April 21st, 2011.

¿Cuál es mi opinión sobre este rumor? Un rumor es un rumor, así que habrá que esperar por lo menos un mes para ver si el rumor se confirma y se convierte en un artículo público o todo ha sido una falsa alarma. Al ritmo al que se están estudiando las colisiones en el LHC el número de colisiones estudidadas hasta ahora (sumando los años 2010 y 2011) se duplicará en un par de semanas. Por tanto, dentro de un mes la señal observada será confirmada (o refutada) con el doble datos sin género de dudas. Con toda seguridad la colaboración ATLAS andará con pies de plomo en este asunto y si se confirma la señal se convocará una rueda de prensa para principios de junio con objeto de realizar el anuncio (sea el Higgs o una nueva partícula) a bombo y platillo. Un mes y medio es poco tiempo, así que os mantendré informados en la medida de mis posibilidades.

PS (22 abril 2011): Muchos blogs de física se han hecho eco del rumor.

Lubos Motl, «ATLAS memo: 4-sigma diphoton bump at LEP’s 115 GeV,» The Reference Frame, April 22, 2011, nos recuerda que la masa más probable para un Higgs si existe la supersimetría (una teoría CMSSM) es de 114±2 GeV/c² según el artículo de teórico de S. Cassel, D. M. Ghilencea, G. G. Ross, «Testing SUSY at the LHC: Electroweak and Dark matter fine tuning at two-loop order,» ArXiv, 22 Jan 2010.

Jester, «Higgs in ATLAS, maybe,» Résonaances, 22 April 2011, nos recuerda que en las teorías supersimétricas MSSM y NMSSM no dan cabida a un Higgs como el observado; además, nos recuerda la evidencia que observó ATLAS sólo con los datos de 2010 (evidencia que en este blog presentamos en «Primera búsqueda de un Higgs de baja masa en el experimento ATLAS del LHC en el CERN,» 14 marzo 2011, no sin cierta polémica porque yo puse en el título «evidencia» y lo tuve que cambiar por «búsqueda,» pero si se confirma el nuevo resultado…). Los diagramas de Feynman para la desintegración de un Higgs en dos fotones están dominados por los procesos que involucran dos o tres bosones W (la desintegración mediada por tres quarks top es mucho menos probable).

Hoy es posible que muchos medios se hagan eco del rumor. El proceso interno de revisión de los artículos/preprints en el LHC del CERN es muy rápido y también muy eficaz a la hora de detectar debilidades en un artículo (ya hablamos de ello en este blog en «Producción científica y revisión por pares a la velocidad de la luz,» 30 abril 2010). Máxime con un artículo que puede pasar a la historia. Me gustaría recordar a todos que en el canal difotónico para el Higgs ATLAS aventaja un poco a CMS, su gran competencia en el LHC, y muchísmo al Tevatrón del Fermilab. Como resultado la colaboración ATLAS puede permitirse el lujo de esperar al análisis de más datos en las próximas semanas para confirmar con mucha mayor significación el resultado. En mi opinión personal, así lo harán.

PS (22 abril 2011): Tommaso Dorigo (miembro de la colaboración CMS del LHC) nos cuenta en «Did Atlas Just See The Higgs ?,» A Quantum Diaries Survivor, April 22, 2011, sus dudas sobre si el Higgs ha sido o no observado por ATLAS. Según Tommaso, con toda la razón del mundo, si ATLAS ha observado el Higgs como afirma el nuevo artículo debería haber sido observado también en el Tevatrón, en sus dos experimentos DZero y CDF (Tommaso es miembro de la colaboración CDF). En cualquier caso, Tommaso no comenta nada en su entrada sobre la posibilidad de que se haya observado otra partícula diferente del Higgs que se desintegre en dos fotones. Mientras no se publiquen los detalles del artículo sólo podemos conjeturar qué tipo de análisis se ha realizado y qué significa el contenido del resumen del artículo (lo único que se ha filtrado fuera de la colaboración ATLAS sobre este asunto).

Philip Gibbs también se ha hecho eco de esta noticia en «New Particle Rumour,» viXra log, 22th April, 2011. Como ya he comentado en mi entrada, podría tratarse de una nueva partícula neutra y Philip sugiera que podría ser una partícula neutra compuesta. Habrá que esperar a las propuestas de los físicos teóricos al respecto.

PS (23 abril 2011): Recomiendo varios comentarios de «Also a real scientist @ ATLAS» en el blog de Peter Woit, Not Even Wrong, que inició el rumor. Nos recuerda lo que es una comunicación interna ATL-COM (ATLAS Communication o ATLAS-COM-*): una comunicación interna para ser visible entre todos los miembros de la colaboración que no cuenta ni con la aprobación ni con el veto de ATLAS; su objetivo es la comunicación de ideas y resultados (provisionales) entre los subgrupos que forman la colaboración (que cuenta con casi 3000 miembros). Muchos artículos de ATLAS nacen como ATL-COM, pero la mayoría de estas comunicaciones acaban en la papelera. Muchos doctorandos o posdoctorados jóvenes las utilizan para justificar o documentar su trabajo en la colaboración.

En el caso concreto que nos interesa, la comunicación proviene de cuatro miembros de la colaboración bajo la dirección de la Dra. Sau Lan Wu, investigadora de amplio prestigio que no ganará nada publicitando este resultado. Seguramente ninguno de los cuatro autores está de acuerdo con la publicidad que ha recibido su comunicación interna. El resultado de la comunicación depende más de las simulaciones de Montecarlo desarrolladas por los autores que de los datos de colisiones obtenidos por ATLAS y es bien sabido que para el problema estudiado en este caso dichas simulaciones están sujetas a gran incertidumbre. Por tanto, «Also a real scientist @ ATLAS» cree que este análisis no superará una verificación detalladas posterior. Así que todo apunta a una falsa alarma (como ya temía Tommaso Dorigo).

¿Quién puede haber sido el responsable de la fuga? Seguramente todos los miembros de ATLAS han accedido a este artículo (por la fama de Wu y por el interés que despierta el bosón de Higgs), así que puede ser cualquiera de los 3000. Según «Also a real scientist @ ATLAS» la colaboración no emprenderá una caza de brujas para encontrar al responsable de la fuga (entre otras cosas porque no tiene mucho sentido y será casi imposible llegar a descubrir quien ha sido).

El mejor regalo musical para esta navidad: Música desde el experimento ATLAS en el LHC del CERN

«RESONANCE: Music from ATLAS experiment» es una iniciativa musical para recaudar fondos para la construcción de un orfanato en el Nepal. Dos CD con un total de 34 pistas, el primero de música pop/rock, y el segundo de música clásica, y un DVD con las sesiones de grabación, entrevistas y algunos vídeoclips (como el «ATLAS Boogie» de la Canettes Blues Band que abre esta entrada). Lo puedes comprar a través de iTunes, Play.com, Tesco, Amazon, o eMusic, o solicitar que te lo envíen desde el CERN pagando con PayPal  (los envíos a partir del 3 de enero, que ahora están de vacaciones bien merecidas). Os dejo con el vídeo promocional.