Se observa por primera vez el bosón de Higgs en un canal fermiónico (H→ττ)

El LHC del CERN, tanto ATLAS como CMS, observaron el pasado 4 de julio un bosón de Higgs con una masa de 125,7 GeV/c² en dos canales bosónicos de desintegración del Higgs, H→γγ y H→ZZ. En los canales fermiónicos, H→ττ y H→bb, ni ATLAS ni CMS observaron ninguna señal tras analizar 10 /fb de colisiones. Hoy, tras analizar 17 /fb de colisiones, CMS observa por primera vez el bosón de Higgs en un canal fermiónico, H→ττ. ¿Cómo se compara la señal observada con las predicciones del modelo estándar? El valor observado μ = 0,72 ± 0,52 está en buen acuerdo con el valor predicho (μ = 1), aunque todavía no tiene la precisión que esperamos ver la próxima primavera (cuando se analicen unos 30 /fb de colisiones)<(well compatible with SM). Ahora habrá que esperar a los resultados de ATLAS, que casi con toda seguridad confirmará el resultado de CMS. Buenas noticias para el modelo estándar y malas noticias para aquellos físicos que quieren ver cuanto antes nueva física más allá del modelo estándar. Los nuevos resultados se presentarán esta madrugada en la charla de Roger Wolf (CMS Collaboration), “Search for the SM Higgs Boson in Di-τ Final States at CMS,” HCP 2012, 14 Nov. 2012 [slides].

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Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC

El modelo estándar de la física de partículas oculta muchos fenómenos que aún no han sido observados. En septiembre de 2012, se realizó una prueba piloto de colisiones de protón contra núcleo de plomo (pPb) a 5,02 TeV en el LHC para preparar las colisiones que se iniciarán en enero de 2013. CMS recopiló dos millones de colisiones pPb, muy pocas, pero suficientes para observar un nuevo fenómeno que aún no tiene explicación (aunque todo el mundo cree que el modelo estándar debería poder explicarlo). Este fenómeno, la existencia de correlaciones angulares entre pares de partículas en colisiones con un gran número de partículas, ya fue observado en septiembre de 2010 en las colisiones de protón contra protón (pp) a 7 TeV. En estas colisiones pp el fenómeno es muy raro, ocurre una vez cada 100.000 colisiones (en 2010 CMS lo observó tras analizar 150 mil millones de colisiones pp). Nunca antes se habían observado estas correlaciones que se parecen a efectos observados en las colisiones de iones pesados en el RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider), también observados por CMS, ATLAS y ALICE en las colisiones de núcleos de plomo contra núcleos de plomo (PbPb) a 2,76 TeV. Sin embargo, el fenómeno observado en colisiones pp y pPb no ha sido confirmado aún ni por ATLAS ni por ALICE. Aunque aún no hay una explicación satisfactoria a este nuevo fenómeno, todo el mundo piensa que no es necesaria física más allá del modelo estándar. Nos lo cuenta Wei Li, Gunther Roland (CMS Heavy Ions group), “Unexplained long-range correlations observed in pPb collisions,” CMS News, Oct. 22, 2012, quienes se hacen eco del artículo técnico de CMS Collaboration, “Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC,” arXiv:1210.5482, Subm. 19 Oct. 2012.

Las correlaciones observadas en las colisiones pp, PbPb y pPb aparecen en los eventos con una alta densidad de partículas, por ello son muy raras en las colisiones pp. Para muchos ha sido una sorpresa observar estas correlaciones con tan pocas colisiones pPb, ya que la magnitud de las mismas es similar a las de las colisiones pp. Como muestra la figura, Δφ es el ángulo azimutal relativo (en el plano transversal a los haces que colisionan) entre las trayectorias de cada par de partículas en colisión. El nuevo fenómeno observado es un incremento en el número de pares de partículas para ángulos pequeños. La explicación de este fenómeno debe estar relacionada con la aparición de correlaciones cuánticas de largo alcance en el plasma de quarks y gluones (QGP) formado durante la colisión. En las colisiones pp donde se observa una alta densidad de partículas, éstas se comportan como un QGP; como la física de este fenómeno es muy complicada, aún podemos esperar que se descubran nuevas sorpresas en un futuro próximo.

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].

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/σSM > 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.

Duro varapalo al Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”) en el segundo día del ICHEP 2012

La búsqueda del Higgs en 2011 en el LHC, tanto en CMS como en ATLAS, mostró un exceso en el canal difotónico (H→γγ) que hizo que mucha gente soñara con un Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”), es decir, un Higgs que solo se acopla a los bosones W y Z, y que no dota de masa a los fermiones (quarks y leptones). Este tipo de Higgs solo se desintegraría en los canales WW, ZZ y γγ, presentando un exceso en este último. Los datos de 2011 y 2012 en CMS excluyen al 95% CL un Higgs fermiófugo en el intervalo de masas [110, ­147] GeV y al 99% CL en el rango [110, ­134] GeV. La señal del Higgs alrededor de 125,5 GeV no puede ser de un Higgs fermiófugo. Nos lo ha contado Matteo Sani (on behalf of the CMS Collaboration), “Search for a Fermiophobic Higgs Particle,” ICHEP 2012, 6th July.

El análisis de 5,1 /fb de datos de 2011 con colisiones a 7 TeV c.m. y de 5,3 /fb de 2012 a 8 TeV c.m. publicado el segundo día del ICHEP 2012, muestra claramente un resultado incompatible con las predicciones teóricas para un Higgs fermiófugo (marcadas por la raya roja horizontal en el valor unidad en esta figura). El pequeño exceso que sigue habiendo en el canal difotónico alrededor de 125,5 GeV, de unas 3,2 sigmas, es demasiado débil (0,49 ± 0,18) para ser consistente con un Higgs fermiófugo. Habrá que buscar otra explicación para el exceso observado en los datos del canal difotónico de desintegración del Higgs.

¿Qué pasa con los otros canales de desintegración del Higgs fermiófugo? El resultado preliminar para los datos de 2012 solamente a más de 3 sigmas un Higgs fermiófugo alrededor de 125 GeV. No se ha combinado con los resultados de 2011, pero el reanálisis de los datos de 2011 no se excluye un Higgs fermiófugo en el intervalo [124, 128] GeV, pero sí, al 99% CL en el resto del intervalo [110, 148] GeV. Todo apunta a que la combinación (hecha a ojo) excluirá también ese pequeño resquicio que dio esperanza en 2011 a los que gustaban de un Higgs fermiófugo.

Una sorpresa que podemos esperar en el canal difotónico para la búsqueda del Higgs

Hay una cosa que mucha gente olvida y que es de capital importancia en la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN: las predicciones teóricas del modelo estándar son muy difíciles de calcular y mejoran conforme pasa el tiempo. Buen ejemplo de ello es esta figura. En la parte izquierda se muestra lo que era un misterio en noviembre de 2011 (publicado como tal en la revista JHEP en enero de 2012). En la parte derecha aparece la solución del misterio (aparecida en ArXiv en febrero de 2012). Había un misterioso exceso en las colisiones protón-protón que mostraban un par de fotones en el experimento CMS, al compararlas con las predicciones teóricas calculadas hasta el orden NLO. Dicho exceso ha desaparecido al compararlas con las predicciones teóricas calculadas hasta NNLO. Esto nos recuerda que no siempre la contribución del siguiente orden de la teoría de perturbaciones es pequeña; en este caso el orden NNLO introduce un efecto entre el 40 y el 55% respecto al orden NLO.

¿Qué significa esto con respecto a la búsqueda del bosón de Higgs con masa alrededor de 125 GeV/c²? El canal difotónico es el “gold channel” de esta búsqueda y mostraba un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar, que llevó a algunos físicos a proponer que la señal a 125 GeV/c² correspondía a un primo (“fermiofóbico”) del Higgs. ¿Hasta qué orden se calculó dicho canal difotónico? El cálculo se realizó hasta NLO, luego es posible que veamos sorpresas cuando se calcule hasta NNLO. ¿Significa esto que la señal observada de un Higgs desaparecerá? Como también fue observada por ATLAS, no creo que ese sea el caso. Más bien, pero es una opinión personal mía, podría significar lo contrario, que la señal publicada en diciembre de 2011 aparentaba ser más débil de lo que en realidad era y que un nuevo análisis de dichos datos podría reforzar dicha señal. Obviamente, es solo una opinión mía. Que nadie me tire de las orejas si me equivoco (quizás lo sabremos el 4 de julio). Los autores de blogs estamos para eso, para equivocarnos.

El misterioso exceso observado por CMS se publicó el 1 de noviembre de 2011 en “Measurement of the Production Cross Section for Pairs of Isolated Photons in pp collisions at s√ = 7 TeV,” CMS-QCD-10-035, CERN-PH-EP-2011-171, arXiv:1110.6461 y apareció en revista el 25 de enero de 2012 (J. High Energy Phys. 01 (2012) .133). Mucha gente se hizo eco de este exceso, como Matt Strassler, “Two-Photons: Data and Theory Disagree,” OPS, Nov. 1, 2011 (que achacó de forma acertada el exceso a un error en el cálculo teórico de la predicción del modelo estándar); Matti Pitkanen, “CMS observes large excess of diphotons,” TGD Diary, Nov. 2, 2011 (que también acertó al afirmar que se trataba de un error sistemático); Lubos Motl, “CMS: a very large excess of diphotons,” TRF, Nov. 1, 2011 (que rápido como el rayo soñó con nueva física más allá del modelo estándar); y otros. Por cierto, yo no me molesté en hacerme eco de esta noticia en este blog (aunque escribí un borrador al respecto que quedó inacabado y por eso ahora rescato esta noticia).

La solución del misterio aparece publicada en múltiples sitios: Leandro Cieri, “Diphoton production at NNLO,” Winter School, Ascona, January 27, 2012; Leandro Cieri, “Diphoton production at LHC: 120 < Mγγ < 140 GeV,” Rencontres de Moriond, March 11, 2012; Jonathan M. Butterworth, Guenther Dissertori, Gavin P. Salam, “Hard Processes in Proton-Proton Collisions at the Large Hadron Collider,” Annual Review of Nuclear and Particle Science, arXiv:1202.0583; y otros artículos más recientes.

El Higgs “fermiofóbico” y los rumores para San Fermín sobre el Higgs en el ICHEP 2012

Lo primero es lo primero, los rumores. Como ya viene siendo costumbre, Peter Woit vuelve a lanzar rumores sin fuente: se ha observado en el LHC del CERN una señal a 4 sigmas de la existencia de un bosón de Higgs con una masa de unos 125 GeV (“The Higgs Discovery,” NEW, June 17, 2012). El rumor sobre ATLAS se lanzó hace unos días, ahora también se incluye a CMS (que ha realizado un análisis “ciego”). “En el primer congreso estrella de física de partículas de este verano, el ICHEP2012 que se celebra en Melbourne, Australia, se anunciarán los nuevos resultados sobre la búsqueda del Higgs en el LHC (tanto CMS como ATLAS) el sábado 7 de julio, entre las 17:30 y 18:00 (hora de Madrid, en Melbourne será entre las 09:30 y las 10:00).”

Como también ya es habitual, Philip Gibbs se hace eco de estos rumores, para darle más coba a Woit, en “ICHEP Higgs Rumours = Discovery ?,” viXra, June 17, 2012. En el canal difotónico, el año pasado se alcanzó una significación estadística para un Higgs de unos 125 GeV de hasta 3,1 sigmas en CMS y hasta 2,9 sigmas en ATLAS (estimación oficiosa de Gibbs, más optimista que la oficial del CERN). Estas estimaciones oficiosas, al añadir más de 4 /fb de datos de colisiones en el LHC a 8 TeV c.m., se logrará una estimación oficiosa de más de 5 sigmas (un descubrimiento oficioso) para el Higgs. Hay que recordar que estas estimaciones oficiosas se basan en combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS, algo que no se realizará de forma oficial hasta 2013 y no se publicará hasta julio de 2013, como pronto. En el CERN se desea que ambos experimentos, ATLAS y CMS, descubran el Higgs de forma independiente, algo que podrán hacer sin combinar sus colisiones a finales de este año.

Por supuesto, Gibbs nos recuerda que (1) no se puede confiar en los rumores; (2) a estas fechas, CMS debería haber analizado al menos 4,5 /fb de colisiones y ATLAS al menos 3 /fb de colisiones (estos datos también son rumores), si ya se ve una señal a 4 sigmas es posible que en julio la señal todavía tenga más significación; y (3) una evidencia a 4 sigmas con solo los datos de 2012 es un poquito mejor de lo esperado (es decir, una fluctuación estadística a favor del Higgs), pero todo depende de lo bien que hayan funcionado las técnicas de mitigación del apilado (pileup) de colisiones durante los análisis (aunque para el canal difotónico este inconveniente afecta muy poco).

Lo segundo es hablar del Higgs fermiofóbico. Lo primero de lo segundo, aclarar la traducción. En español debería llamarse Higgs fermiófugo, pero la costumbre entre los físicos experimentales es traducir “fermiophobic” por “fermiofóbico.” Lo siento por los lingüistas, pero cambiar las costumbres es difícil (recuerda que el “positón” (traducción correcta de “positron” en inglés) es mal traducido “positrón” por cuestiones de costumbre) y las lenguas vivas evolucionan gracias a las costumbres.

¿Qué es un Higgs fermiofóbico? Un Higgs cuyos acoplamientos al quark top, al quark bottom y a los leptones tau (y a los demás quarks y leptones, pero son poco relevantes por su pequeña masa) son mucho más pequeños de lo que predice el modelo estándar, o están anulados por alguna razón (hay muchas propuestas teóricas). Un Higgs fermiofóbico debe ser observado gracias a los canales de desintegración WW, ZZ, γγ, y Zγ (y muchos otros pero con probabilidad despreciable).

Los datos de colisiones de 2011 en el LHC han mostrado señales del Higgs en el canal γγ, y algo menos en los canales WW y  ZZ (en julio en el ICHEP se prevé que también en el canal Zγ). Da la casualidad que estos canales son los asociados a un Higgs fermiofóbico, lo que ha generado cierta expectación entre los físicos teóricos. Pero debemos ser fieles a la verdad, para un Higgs de 125 GeV, la señal esperada para un Higgs fermiofóbico en estos canales coincide con la esperada para un Higgs del modelo estándar en dichos canales, como muestra esta figura [fuente].

Por tanto, no podemos descartar que se haya observado un Higgs fermiofóbico, pero mientras los canales “fermiónicos” (especialmente bb y ττ) sigan dando una relación señal/ruido tan mala, la preferencia oficial debe ir hacia el Higgs del modelo estándar. Ello no quita que los físicos experimentales busquen un Higgs de este tipo y la figura de abajo muestra el resultado obtenido en CMS para el canal difotónico con 4,8 /fb de colisiones de 2011 a 7 TeV c.m. Recuerda, en esta figura solo aparece el canal γγ.

Interpretar esta figura requiere dos consideraciones. La primera, hay una señal, aunque débil, en el canal bb que ha sido observada en el Tevatrón, en contra de un Higgs fermiofóbico. La segunda, otros canales de desintegración no muestran un pico tan claro para un Higgs fermiofóbico como el canal difotónico mostrado en esta figura. La tercera, las colisiones analizadas en 2011 no son suficientes para excluir un Higgs fermiofóbico con una masa por encima de unos 130 GeV, lo que hace que el pico (línea negra) que se observa a 125 GeV se parezca más a una fluctuación estadística que a un pico bien definido. Y la cuarta, para la mayoría de los físicos experimentales, se trata de una simple casualidad, debido a que el Higgs parece que tiene la masa adecuada (125 GeV) para que ocurra esta coincidencia entre el caso fermiofóbico y el del modelo estándar.

Por supuesto, en física de partículas nunca se puede decir nunca jamás (y las sorpresas son lo realmente maravilloso de este campo del saber). Habrá que esperar a los análisis presentados en el ICHEP 2012 para confirmar o desmentir estas señales fermiofóbicas, pero mi opinión es que serán desmentidas. En concreto, “Search for a fermiophobic Higgs particle” (7 de julio) y “Fermiophobic Higgs Boson in Associated Production with a Massive Vector Boson” (6 de julio).

El experimento CMS observa por primera vez una nueva excitación del barión Xi(b) neutro (formado por los quarks b, s y u)

Hay noticias importantes en física de partículas que seguramente no rellenan los titulares de los medios pero que en este blog no podemos olvidar. El descubrimiento de una nueva resonancia de un barión (formado por tres quarks) es muy importante a la hora de realizar estudios de precisión del modelo estándar. El experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, tras analizar 5,3 /fb de colisiones a 7 TeV durante 2011 ha descubierto con una significación estadística de 5 sigmas un nuevo estado excitado de un barión usb llamado Ξ*b0, cuya masa es 5945,0 ± 2,8 MeV. El estado fundamental del barión neutro Ξb0, formado por un quark fondo (b), uno extraño (s) y uno arriba (u), ya había sido observado, pero la teoría predice múltiples estados excitados. El primero en ser observado es Ξ*b0 (con JP=3/2+) que se ha resistido a su detección porque decae muy rápidamente en partículas más ligeras (una cascada con un protón, dos muones y tres piones).  No es fácil relatar el alarde técnico que requiere realizar esta detección en las colisiones protón contra protón en el LHC. Más información en “Observation of a new Xi_b beauty particle,” CMS News, siendo el artículo técnico CMS Collaboration, “Observation of an excited Xi(b) baryon,” Submitted on 26 Apr. 2012, arXiv:1204.5955.

PS (28 abr. 2012): Recomiendo leer a Matt Strassler, “CMS Finds a New (Expected, Composite) Particle,” OPS, April 27, 2012, quien discute en detalle la diferencia entre encontrar una nueva partícula “elemental” y confirmar la existencia de una partícula “compuesta” (en este caso, un barión, una partícula similar a un protón, compuesta de quarks).

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.

El Higgs y el cabreo

En las III Jornadas CPAN estuve hablando con una autoridad española en CMS sobre Tommaso Dorigo (miembro de CMS y famoso bloguero al que han tenido que tirar de las orejas varias veces). Traté de defender a Tommaso porque considero que su labor de divulgación es muy importante, pero me dijeron que solo busca fama personal y que no hay manera de que entre en sus trece; debe tener rojas las orejas, pero él sigue y sigue… cual conejito de Duracell. No hubo manera de que salieran palabras bonitas sobre Tommaso. Traté de convencerle de que Tommaso ha cambiado y de que ahora está más moderado, pero me dijo que no, que seguía como siempre y que seguiría metiendo la pata, siempre en la cuerda floja… Y ahora me encuentro con esto, Tommaso Dorigo, “Fundamental Glossary For The Higgs Broadcast,” A Quantum Diaries Survivor, Dec. 9th 2011. Que para más inri destaca en titulares Lubos Motl, “Higgs mass: 124.6 GeV CMS, 126 GeV ATLAS,” TRF, Dec. 9th 2011, a lo que contesta Tommaso por la tangente en “How Wrong Can Lubos Be ?,” QDS, Dec. 9th 2011.

Como todos ya sabéis, pues la blogosfera y los medios hierven con la noticia, el próximo martes 13 se anunciarán los nuevos límites de exclusión del Higgs obtenidos por ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del LHC. Los rumores apuntan a una señal a 3 sigma en ATLAS de un Higgs con 126 GeV y de una señal a 2,5 sigma en CMS de un Higgs con 125 GeV, ambas en el canal difotónico, la desintegración de un Higgs en dos fotones. Son rumores y los rumores, rumores son. Estas señales no indican nada de nada, salvo que haya señales parecidas en otros canales de desintegración (entre otras cosas porque el Tevatrón tendría que haber observado algo y no ha observado nada). Estas señales son humo, pero a la blogosfera y a los medios sensacionalistas les encantan estas señales de humo.

Al grano. Y ahora viene Tommaso y le echa más leña al fuego. Hablando del Higgs como de pasada deja caer que la señal de CMS en el canal difotónico corresponde a dos fotones con una energía de 62,3 GeV. Como lo lees. En lugar de hacer lo que todo el mundo hubiera hecho, dividir por dos los 125 del rumor y afirmar que cada fotón tiene una energía de 62,5 GeV, va y suelta como si nada que tienen una energía de 62,3 GeV. Aunque se haya inventado el número, todo el mundo en la blogosfera interpreta que está filtrando información privilegiada, información confidencial de la colaboración CMS que ve la luz gracias a Tommaso, el miembro pródigo de CMS. Aunque sea mentira y se haya inventado el número, mucha gente en CMS debe  estar que trina. Y lo peor es que con razón. Tommaso, Tommaso, … controla un poco los impulsos (digo los posts), que no cuesta nada.

Por cierto, es obvio que el número 62,3 GeV se lo ha inventado Tommaso y que no está desvelando ninguna información confidencial. Es obvio, pero causa mucho daño a mucha gente este tipo de desvelos en el baile de los siete velos del Higgs… Comprendo que haya gente que se sienta herida con estos deslices de Tommaso. ¡Con lo fácil que es hacerlo como es debido!