La masa del bosón de Higgs es menor de 130 GeV/c² si existe una cuarta generación de quarks

 

La existencia de una cuarta generación de partículas (fermiones) con masa muy grande y los datos experimentales obtenidos por los detectores CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab permiten excluir un bosón de Higgs con una masa entre 130 y 210 GeV/c², por lo que el Higgs de existir debería tener una masa entre 114’4 y 130 GeV/c². La existencia de un quark de cuarta generación con una masa mucho mayor que la del Higgs permite que su acoplamiento con los gluones gracias a dicho quark (ggH) se multiple por un factor de 3 respecto a la predicción del Modelo Estándar. Recordemos. Hay tres generaciones de partículas elementales (fermiones). La primera generación contiene el electrón (e), su neutrino (ν), y los quarks arriba (u) y abajo (d); la segunda al muón, su neutrino y los quarks extraño (s) y encantado (c); y la tercera al tauón, su neutrino y los quarks fondo (b) y cima (t). ¿Podría existir una cuarta generación de partículas? Los datos experimentales actuales son compatibles con una cuarta generación con un «electrón» de masa m_e4 ≥ 100 GeV/c², su neutrino con m_ν4 ≥ 80 GeV/c², y quarks «arriba» con m_u4 ≥ 256 GeV/c², y «abajo» con  m_d4 ≥ 128 GeV/c². Una cuarta generación «ligera» (con estas límites en su valor inferior) no afecta a la física que conocemos pero sí a la que desconocemos, por ejemplo, al bosón de Higgs. El nuevo artículo considera también el caso de masa «infinita» (mayor de 10 TeV/c²) para la cuarta generación. Los interesados en más detalles técnicos sobre los límites de exclusión de masa del bosón de Higgs obtenidos por el Tevatrón (datos combinados CDF+DZero) con una luminosidad entre 4’8-5’4 fb^-1 si hay una cuarta generación de fermiones disfrutarán el breve artículo «Combined Tevatron upper limit on gg–>H–>WW and constraints on fourth-generation fermion models,» Conference Note D0 Note 6039-CONF, 11 Mar. 2010.

PS (19 marzo 2010): Por primera vez Francis se ha adelantado a Tommaso Dorigo a la hora de comentar un nuevo resultado en física de partículas elementales. Tommaso nos presenta esta noticia en «Higgs Mass Limits: 130-210 GeV !!,» Quantum Diaries Survivor, March 19th 2010. El post de Tommaso merece la pena. Mucho más extenso y detallado que el mío. Permitidme unas retazos para los que no saben inglés…

La masa del bosón de Higgs está excluida en el intervalo de 130-210 GeV con un nivel de confianza del 95% si hay una cuarta generación de partículas elementales. Este resultado ha sido presentado hace dos días por el físico Wei-Ming Yao (LBNL) en «Combinations of Searches for SM Higgs at the Tevatron,» Rencontres de Moriond QCD and High Energy Interactions, March 13-20, 2010. Para Tommaso es un avance realmente importante «I believe the result is still quite important.»

¿Cuántas generaciones de partículas hay? En 1974 se descubrió la segunda generación de partículas elementales y se sugirió la existencia de una tercera, que se descubrió años más tarde (los quarks b y t fueron descubiertos en el Fermilab, este último en 1994). Las investigaciones indirectas en el LEP del CERN indicaron la existencia de sólo 3 familias de neutrinos, resultado que hoy en día se interpreta como que hay solamente tres generaciones de partículas. ¿Por qué no puede haber una cuarta, o una quinta, o infinitas generaciones? Hay argumentos teóricos y experimentales que apuntan a que hay sólo tres generaciones en nuestro universo.

Sin embargo, hay una evidencia débil que se encontró en la colaboración CDF del Tevatrón el año pasado, un posible quark de cuarta generación con una masa alrededor de 450 GeV, un quark t’ (top prima). Sin embargo, como muestra esta figura, la evidencia es sólo un exceso a dos sigma, posiblemente una fluctuación estadística de los datos que probablemente desaparezca cuando este conjunto datos experimentales se amplíe y reanalice en el futuro. Aún así, es una evidencia muy sugerente…

La existencia de una cuarta generación de partículas tiene un impacto significativo en el Modelo Estándar, cambiando las probabilidades de desintegración (branching ratios), las constantes de acomplamiento y la tasa efectiva de aparición de ciertos procesos subatómicos. Por ello no sorprende que cambien los posibles modos de desintegración del bosón de Higgs (Tommaso nos muestra la figura).

Resumiendo mucho, un bosón de Higgs puede desintegrarse en un par de gluones gracias a un bucle con quarks pesados. Con tres generaciones, la única posibilidad es hacerlo a través de un quark top, pero con cuatro generaciones lo hará preferentemente en un bucle con quarks top prima. El resultado es que un Higgs de masa «baja» (menor que 120 GeV) se desintegra tan a menudo en un par de gluones (conectados con quarks pesados) como en un par de quarks bottom (lo que ocurre con 3 generaciones). Para masas intermedias (hasta 200 GeV) pocas cosas cambian, pero para un Higgs pesado, con masa mayor de 200 GeV aparece la posibilidad de que el Higgs se desintegre en un par de fermiones de la cuarta generación.

El resultado de todos estos nuevos modos de desintegración significa que si el Higgs existe aparecería en el Tevatrón 10 veces más a menudo si hay una cuarta generación que si no la hay. Aunque las maneras en las que se desintegran son difíciles de detectar en el Tevatrón, deberían haberse observado señales de las mismas. Como no se ha obtenido dicha observación, el resultado es que el límite de exclusión de masas del Higgs obtenido por el Tevatrón crece enormemente desde 162-166 GeV hasta abarcar todo el intervalo de 130-200 GeV.

En resumen, Tommaso cree que estos resultados son muy interesantes («I think the result I have described is quite interesting«). Máxime cuando la masa que realmente tengan los quarks y leptones de la cuerta generación no influye casi nada en este límite de exclusión (siempre que sea mayor del doble de la masa del Higgs). Para Tommaso esto es lo más interesante del resultado («The mass of these new, yet-to-be-found objects does not affect much the limit on the Higgs mass. This is the most interesting thing in the whole analysis: bring the fourth-generation fermion masses to infinity, and nothing changes. Amazing!«)

Nuevo límite de exclusión combinado (CDF+DZero) para la masa del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab

Según LEP2 la masa del bosón de Higgs del modelo estándar es superior a 114,4 GeV/c² con un 95% C.L. (aquí qué significa un límite de confianza estadística). Los experimentos CDF y DZero combinaron sus datos sobre las búsquedas del Higgs y publicaron el año pasado (24 de marzo de 2009 [1]) un límite que excluía un Higgs con una masa en el intervalo 160 < m_H < 170 GeV/c². Ahora, con más del doble de datos (es decir, de luminosidad), resulta que dicho intervalo se ha reducido a 162<m_H<166 GeV/c². ¡Se ha reducido! Todo el mundo espera que a más datos, los límites de exclusión crezcan, pero no es así siempre. El análisis estadístico de los datos ofrece este tipo de sorpresas. La figura de arriba os muestra el nuevo límite de exclusión combinado (arriba) y los nuevos límites sin combinar obtenidos en el CDF (abajo izquierda [3]) y DZero (abajo derecha [4]). Quizás también os sorprenda que los límites individuales son mucho peores que el resultado combinado, pero esto también es habitual en estadística. A más información (más luminosidad), el resultado combinado, el resultado es mucho mejor.

[1] Tevatron New Phenomena, Higgs working group, for the CDF collaboration, DZero collaboration, «Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb-1 of Data,» ArXiv, 24 Mar 2009. Nota: resultados con una luminosidad de 2,0-3,6 fb^-1 en el CDF, y 0,9-4,2 fb^-1 en el DZero.

[2] The CDF, the DZero Collaborations: T. Aaltonen, et al. «Combination of Tevatron searches for the standard model Higgs boson in the W+W- decay mode,» ArXiv, 25 Jan 2010. Nota: resultados con una luminosidad de  4,8 fb^-1 en el CDF, y 5,4 fb^-1 en el DZero.

[3] The CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. «Inclusive Search for Standard Model Higgs Boson Production in the WW Decay Channel using the CDF II Detector,» ArXiv, 25 Jan 2010.

[4] The DZero Collaboration, «Search for Higgs boson production in dilepton and missing energy final states with 5.4 fb-1 of p-pbar collisions at sqrt(s) =1.96 TeV,» ArXiv, 25 Jan 2010.

Los interesados en más información sobre la búsqueda del bosón de Higgs disfrutarán del artículo (gratis) de la profesora Gail G. Hanson, «Searching for the Higgs,» Physics 2: 106, 14 Dec 2009. Los que tengan acceso universitario a Nature, también podrán hacerlo con Jenny Hogan, «Behind the hunt for the Higgs boson,» News, Nature 445: 239, 18 Jan 2007.  También merece la pena leer el artículo del «padre» de la «partícula de Dios,» el Premio Nobel de Física (1988) Leon Lederman, «The God particle et al.,» Nature 448: 310-312, 19 July 2007.

Y ya que estamos, no puedo dejar de recomendar para todos los aficionados a la física de partículas elementales el interesantísimo suplemento de Nature dedicado al LHC del CERN, que contiene 8 artículos de acceso gratuito para todos «Nature Insight: The Large Hadron Collider,» 448: 269-312, 2007. El que más me gusta releer es el del también Premio Nobel de Física (1999) Gerard ‘t Hooft, «The making of the standard model,» Nature 448: 271-273, 19 July 2007.

El juego de las diferencias, el bosón del Higgs y los nuevos resultados publicados sobre su masa según CDF y DZERO del Tevatrón

El juego de las diferencias. Compara estas dos figuras publicadas el 13 de marzo y el 19 de noviembre de 2009 por las colaboraciones CDF y DZERO del Fermilab con lo más reciente sobre los límites de exclusión de la masa del bosón de Higgs. La nueva tiene más luminosidad, 5.4 comparado con 4.2. La región de exclusión de masas entre 160 y 170 GeV se ha reducido, ahora sólo entre 163 y 166, ambas al 95% de límite de confianza. ¿Cómo es posible que el límite de exclusión se haya reducido? Los nuevos resultados nos indican que la evidencia para dicha exclusión era debida a una fluctuación aleatoria en los datos que ha sido «corregida» tras 6 meses de nuevas colisiones. Esto pasa a veces. Un intervalo de confianza del 95% deja libre un 5% para que pasen cosas como ésta. Nos lo cuentan en muchos foros, como no, Tommaso Dorigo, «New Tevatron Higgs Limits Got Worse, But The 115 GeV Excess Is Growing!,» Quantum Diaries Survivor, November 19th 2009, y Peter Woit, «Higgs Escapes Part of Exclusion Region,» Not Even Wrong, November 19th, 2009.

Por supuesto, los interesados en las fuentes originales y en los detalles técnicos pueden recurrir al informe original de marzo, The TEVNPH Working Group for the CDF and DZERO Collaborations, «Combined CDF and DZERO Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb^-1 of Data,» March 13, 2009, y al nuevo informe, The TEVNPH Working Group for the CDF and DZERO Collaborations, «Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with 2.1 – 5.4 fb^-1 of Data,» November 19, 2009.

Sigamos jugando al juego de las diferencias. Compara estas dos figuras publicadas el 13 de marzo y el 19 de noviembre con los intervalos de máxima verosimilitud para la hipótesis de la observación de un bosón de Higgs en los datos del Tevatrón (Run II). Observa atentamente la curva negra continua en la figura de la derecha alrededor de 115 GeV y hasta 140 GeV. La línea se encuentra en la zona amarilla (desviaciones de 2 sigma) y por debajo de la línea roja, lo que se esperaría para eventos debidos a la suma del fondo (background, B) y de la señal de un Higgs del Modelo Estándar (S). No es una evidencia grande, pero indica que hay más eventos tipo Higgs de los esperados en la señal de fondo en dicho rango. Casi 2 sigma para un Higgs con una masa de 115 GeV y más de 1.5 para uno entre 135 y 140 GeV. Esto son buenas noticias, ya que mejora la evidencia de un Higgs poco masivo observada en el LEP2, que fue sólo de 1.7 sigma para una masa de unos 115 GeV. Ahora el Tevatrón nos ofrece una evidencia más fuerte en la misma región de masas.

Buenas noticias, sin lugar a dudas. Espero que te hayas divertido jugando al juego de las diferencias. Nuevos resultados se publicarán de nuevo, espero, en marzo de 2009. Habrá que estar al tanto…

Ocurrió una vez en la vida, lo han buscado con tesón y no ha vuelto a ocurrir

Los grandes aceleradores de partículas encuentran a veces sucesos extraordinarios muy difíciles de explicar con el Modelo Estándar. Estos sucesos únicos son vueltos a buscar sistemáticamente en muchas ocasiones. A veces, nunca más vuelven a ser observados. La figura de arriba ilustra uno de estos sucesos observado en el Femilab (colaboración CDF) el 18 de abril de 1995. Algo, nadie sabe qué, se desintegró en dos electrones de 36 y 59 GeV, y dos fotones de 30 y 38 GeV, con una pérdida de energía de 53 GeV (posiblemente uno o varios neutrinos no detectados). En 3 billones de eventos observados por CDF entre 1994 y 1995, sólo se observó una sola vez. Esta desintegración no tiene explicación dentro del Modelo Estándar. Hay múltiples explicaciones teóricas, utilizando la supersimetría y sin utilizarla. Se ha buscado este evento en múltiples ocasiones y no se le ha vuelto a observar. La última búsqueda en el Tevatrón Run II tampoco lo ha vuelto a observar, como se publicará próximamente en ArXiv y nos adelanta Tommaso Dorigo en «CDF Kisses Another New Physics Effect Bye-Bye,» A Quantum Diaries Survivor, October 6th 2009. ¿Una mera fluctuación estadística? Quizás.

Los interesados en este tipo de temas, quizás disfruten leyendo el anuncio oficial de dicho descubrimiento en el artículo de Seongwan Park (for the CDF Collaboration), «Search for New Phenomena in CDF – I: Z’, W’ and Leptoquarks» (gratis en fnal.gov). También se suele citar como fuente original el artículo de David Toback (for the CDF Collaboration), «The Diphoton Missing E_T Distribution at CDF» (gratis en fnal.gov). Explicaciones teóricas hay muchas (la mayoría se ofrecieron a los pocos meses del anuncio oficial del evento por S. Park). La explicación más reiterada se basa en el uso de la supersimetría, S. Ambrosanio, G. L. Kane, Graham D. Kribs, Stephen P. Martin, S. Mrenna, «Supersymmetric Analysis and Predictions Based on the Collider Detector at Fermilab eegg + Missing Energy Event,» Physical Review Letters 76: 3498-3501, 6 MAY 1996 (ArXiv preprint y pdf gratis). También hay explicaciones no supersimétricas como la de Gautam Bhattacharyya, Rabindra N. Mohapatra, «A Non-supersymmetric Interpretation of the CDF e+e-\gamma\gamma + missing E_T Event,» Phys. Rev. D 54: R4204-R4206, 1996 (ArXiv preprint).

Cuando aparezca el nuevo artículo en ArXiv que nos ha anunciado Tommaso, completaré esta entrada con más datos.

El mecanismo de Higgs no distingue entre materia y antimateria según el Tevatrón del Fermilab

El bosón de Higgs dota de la misma masa a una partícula y su antipartícula, según la teoría del Modelo Estándar. El mecanismo de ruptura de la simetría de Higgs no distingue entre materia y antimateria. Para verificarlo experimentalmente hay que medir estas masas para la partícula más masiva descubierta hasta el momento, el quark top y su antiquark. En el Tevatrón del Fermilab se ha obtenido hace poco la mejor medida de la masa en reposo del quark top. Ahora DZERO ha medido la diferencia de masa entre el quark top y el antiquark top resultando una diferencia igual a 3.8±3.7 GeV, es decir, 2.2% ± 2.2. Como resultado, experimentalmente ambas masas parecen exactamente iguales. Nos lo cuentan en Research Highlights, «Particle physics: Top quarks measure up,» Nature 461: 572, 1 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de V. M. Abazov et al. (DZERO Collaboration), «Direct Measurement of the Mass Difference between Top and Antitop Quarks,» Phys. Rev. Lett. 103: 132001, 21 September 2009.

Las fluctuaciones a 2-sigma del Fermilab (posibles descubrimientos futuros si se alcanzan las 5-sigma)

¿Cuál será el próximo descubrimiento del Fermilab? Nadie lo sabe, lo que sí se sabe son cuales son las señales que se desvían más de lo esperado. Señales que ahora mismo son una mera fluctuación estadística, con sólo 2-sigma de significación. Si en un par de años la evidencia se acumula y se alcanzan las 5-sigma, el Fermilab proclamará un nuevo descubrimiento. En caso contrario, nadie recordará estas fluctuaciones estadísticas sin ningún contenido físico. Por si acaso, cientos de físicos están estudiando estas desviaciones tanto experimental como teóricamente para estar preparados ante un posible descubrimiento. ¿Cuáles son las desviaciones 2-sigma encontradas hasta el momento? Sólo un físico que se encuentre en el ajo puede saberlo. Tommaso Dorigo está en el comité que revisa todos los artículos científicos que se envía para publicación desde el CDF del Fermilab. Tommaso es nuestro hombre y nos lo cuenta en «The Next Discovery of Fermilab,» A Quantum Diaries Survivor, September 21st 2009.

La detección de partículas en los grandes aceleradores es un proceso estocástico sujeto a fluctuaciones estadísticas en los detectores y los algoritmos de análisis. Una desviación en los datos respecto a los modelos teóricos (el Modelo Estándar) sólo es un descubrimiento si es una desviación grande respecto a lo esperado. ¿Qué significa grande? Se utiliza un modelo estadístico (normalmente gaussiano) y se determina la probabilidad de dicha fluctuación estadística utilizando el número de desviaciones típicas de significación estadística. Una fluctuación 2-sigma es una fluctuación con una probabilidad de un 95.5% de volver a ser observada. Una 3-sigma es una fluctuación con una probabilidad del 99.75% de que se vuelva a observar en el futuro. Una fluctuación es un discubrimiento si alcanza las 5-sigma, es decir, si hay una probabilidad del 99.99995% de que vuelva a observarse dicha fluctuación. Por debajo de 3-sigma se considera que se ha observado una simple fluctuación estadística de los datos.

Permitidme un listado de las 5 fluctuaciones a 2-sigma más prometedoras observadas por la Colaboración CDF que apuntan hacia un futuro descubrimiento en el Fermilab (la selección es mía entre las 10 que propone Tommaso Dorigo y en otro orden).

1) Observación de un nuevo bosón vectorial Z’ (Z-prima). CDF tiene evidencia casi a 3-sigma de la existencia de resonancias a energías de 240 GeV y 720 GeV en eventos que involucran dos leptones de carga opuesta (electrón-positón, muón-antimuón, etc.).  Estas resonancias, de confirmarse, podrían corresponder a un bosón vectorial Z’ con una masa de unos 720 GeV.

2) Observación de un nuevo quark t’ (top-prima). LEP2 del CERN demostró que había sólo 3 generaciones de leptones (en concreto, de neutrinos). Sin embargo, una búsqueda directa en CDF de un quark de cuarta generación, llamado t’, ha ofrecido evidencias de dicha partícula con una masa mínima de 284 GeV y una masa probable de unos 450 GeV.  Sólo el futuro confirmará o desmentirá este resultado, un exceso a 2-sigma.

3) Acoplamiento anómalo entre los bosones vectoriales (fotón, W y Z). CDF ha observado un número mayor del esperado de pares de bosones o dibosones (WW, W-fotón, Z-fotón, etc.). Un exceso a 2-sigma que podría tener diferentes causas, si se confirma, por ejemplo, la existencia de un bosón de Higgs con una masa mayor de 135 GeV.

4) Confirmación de la generación de multimuones anómalos. CDF ha detectado un número mayor de muones (electrones pesados) y con una vida media más larga de lo esperado. Podrían originarse en una nueva partícula neutra aún por descubrir. DZERO no confirmó dicho exceso de muones, pero en CDF creen que futuros datos podrían confirmarlo.

5) Confirmación de la supersimetría en la medida de la fase de la oscilación de bosones B. Los mesones formados por un quark bottom  (b) y quark extraño (s) pueden intercambiarse con sus antipartículas en una oscilación difícil de estudiar teóricamente en el modelo estándar. Los resultados experimentales indican que el valor del parámetro de fase de dicha oscilación difiere a 2-sigma del valor teórico. Una explicación sencilla para esta diferencia la ofrece la supersimetría.

Más allá de estos posibles descubrimientos, en el CDF del Fermilab se está realizando una gran labor de confirmación del modelo estándar con medidas de alta precisión de muchos de sus parámetros. En dicha labor destacan la medida de la masa del quark top, la medida de la masa del bosón vectorial W y la acotación de la masa del bosón de Higgs mediante nuevos intervalos de exclusión.

Recordad, sólo hemos hablado de CDF, en una futura entrada hablaremos de DZERO.

El Tevatrón del Fermilab mide la masa del bosón W con mayor precisión que el LEP-II del CERN

Para el no experto puede parecer sorprendente, pero la precisión obtenida por el LEP II para la masa del bosón vectorial W era muy difícil de superar utilizando el Tevatrón (Run II), aunque produzca colisiones de mayor energía. Se han tenido que unificar los datos más recientes de sus detectores, CDF y DZERO, para lograr alcanzar, por primera vez, una precisión mayor. El nuevo valor obtenido es M_W = 80.420 ± 31 MeV [léase 80 mil MeV] (cuando el mejor valor de LEP II tenía una precisión de 33 MeV). Unificando todos los valores disponibles con sus correspondientes incertidumbres el nuevo valor para la media es M_W = 80,399 ± 0,023 GeV [léase 80 GeV]. ¿Por qué ha costado tanto tiempo este logro? En el LEP II colisionaban electrones y positones (antielectrones) con lo que la generación de bosones vectoriales W y Z es muy limpia. En el Tevatrón II colisionan protones y antiprotones con lo que la generación de partículas W es extremadamente «sucia» (repleta de millones de otras partículas). Algo parecido pasará con el LHC del CERN, cuyas colisiones, más energéticas, serán mucho más «sucias» (repletas de miles de millones de otras partículas). ¿Cuándo logrará el LHC del CERN superar esta precisión para la masa del bosón vectorial electrodébil W? No se sabe, pero tardará muchos años en lograrlo. La física de partículas es así. Más energía no significa necesariamente «ver mejor.» El artículo técnico es The Tevatron Electroweak Working Group, «Updated Combination of CDF and D0 Results for the Mass of the W Boson,» ArXiv, Submitted on 10 Aug 2009.

¿Por qué las colisiones de hadrones son «sucias» y las de leptones son «limpias»? Porque los hadrones no son partículas elementales sino que están compuestas de muchos partones, quarks y gluones, de hecho, de «millones» de partones virtuales. Sin embargo, los leptones (electrones y neutrinos) sí son partículas elementales (hasta donde sabemos hoy en día).

Por eso es muy importante que los datos que se obtengan del LHC (donde colisionan hadrones) sean complementados por el ILC (International Linear Collider) en el que colisionarán electrones y positones, actualmente en construcción. 

DZERO del Fermilab descarta bosones de Higgs cargados (supersimétricos) de masa inferior a 165 veces la masa del protón

El modelo estándar de las partículas elementales predice solo un bosón de Higgs neutro H⁰, sin embargo, su extensión más simple que incorpora la supersimetría (MSSM) predice cinco bosones de Higgs, tres neutros y dos cargados (H^±). El detector DØ (DZERO) del Tevatrón en el Fermilab ha estudiado la posible desintegración de un quark top en un bosón de Higgs cargado (t →H⁺b) y ha descartado que existan en el rango de masas de 80 a 155 GeV/c² con una confianza del 95%. El artículo técnico es The DZERO Collaboration (V.M. Abazov et. al) «Search for charged Higgs bosons in decays of top quarks,» ArXiv, Submitted on 29 Jun 2009.

La búsqueda de los bosones de Higgs cargados predichos por el Modelo Minimal SuperSimétrico (MSSM) ya se realizó en el extinto LEP2 del CERN resultando en que no existían con una masa inferior a 78.6 GeV/c². Búsquedas indirectas en la desintegración de mesones B han conducido a que su masa no puede ser inferior a 295 GeV/c², sin embargo, al ser búsquedas indirectas todavía ha lugar a su posible existencia, de ahí la importancia del nuevo estudio de DZERO.

Este resultado de DZERO, como otros del CDF, también en el Fermilab, son un buen punto de partida para plantearnos si estamos asistiendo o no a una revolución científica en el sentido de Khun que lleve al sustituto del Modelo Estándar, o así lo hace E. Donth, en «Comment on «Search for the Standard Model Higgs Boson in the Missing Energy and Acoplanar b-Jet Topology at 1.96$ TeV»,» ArXiv, Submitted on 30 Jun 2009.

Según Donth, las revoluciones científicas que llevan a un cambio de paradigma requieren la competencia fuerte entre múltiples grupos de investigación por todo el mundo. Los grandes experimentos que aúnan a múltiples grupos en una causa común minimizan esta competencia. Por ejemplo, el artículo de la Colaboración DØ tiene 519 autores de 82 grupos de investigación en 35 instituciones por todo el mundo. ¿Cómo se comunican entre sí estos científicos? ¿Cómo contrastan ideas y propuestas (contradictorias) entre ellos? Donth va más allá y alega que la probabilidad de que surga un nuevo paradigma a partir de estos experimentos de «ciencia a lo grande» (Big Science) es muy pequeña, casi despreciable. Por supuesto, su manera de calcular estas probabilidades es muy discutible y controvertida. Pero me ha resultado curisoso su propuesta (el artículo solo tiene una página). Casi todo el mundo cree que el LHC del CERN descubrirá física más allá del Modelo Estándar y este señor está entre los que opinan que no, que ese no es el camino. Curioso.

Qué ha pasado con «El Tevatrón encuentra una nueva partícula en contra del Modelo Estándar»

Llegó a portada en Menéame, fue comentada en Eureka, Kanijo y en este blog, entre otros. ¿Qué ha pasado con el exceso de multimuones de alto parámetro de impacto que encontró el CDF del Tevatrón y publicó en ArXiv en noviembre de 2008? Ninguna partícula conocida en el Modelo Estándar podía explicarlo. Nueva física en el Modelo Estándar significa Premio Nobel. ¿Ha confirmado el DZERO del Tevatrón el resultado? No lo ha confirmado. ¿Se ha publicado el resultado original en una revista internacional? Lo enviaron a Physical Review D y todavía está en revisión. Quizás no lo acepten debido a que DZERO no ha confirmado lo observado. ¿Podemos descartar que haya sido encontrada nueva física más allá del Modelo Estándar? No todos lo creen así. Por ejemplo, Tommaso Dorigo, coautor del paper del CDF en ArXiv, opina que el análisis de los datos de DZERO no es concluyente. Su argumento: los multimuones se encontraron a gran parámetro de impacto y los datos de DZERO a gran parámetro de impacto son poco fiables. Habrá que esperar a nuevos resultados de CDF y DZERO (o hasta que el LHC empiece a dar resultados) para confirmar o rebatir la posible nueva física reportada por el Tevatrón. Así es la física de partículas experimental, lenta, pero segura.

Para los interesados en los resultados de DZERO que (quizás) refutan los resultados previos de CDF, el artículo técnico es Mark Williams (DZERO Collaboration) «Search for Excess Dimuon Production in the Radial Region (1.6 < r < 10) cm at the DZERO Experiment,» ArXiv, Submitted on 16 Jun 2009. En lugar del exceso observado por el CDF (de un 23%) han observado un exceso prácticamente nulo (). La razón por la que este resultado no es una demostración definitiva de que se ha interpretado mal el resultado del CDF es sencilla. El exceso de muones del CDF fue observado lejos del punto de colisión de los haces de protones y antiprotones en el Tevatrón, más allá de 1.5 cm (que es una distancia enorme en física de partículas). A dichas distancias la eficacia de los detectores de estado sólido del DZERO no es demasiado alta (según Tommaso es insuficiente) para confirmar o refutar definitivamente el resultado del CDF (que a dichas distancias se supone que es mejor detector).

Para los que hayan perdido el hilo, recapitulemos. ¿Por qué el exceso de muones es una posible señal de nueva física? La razón es que los muones se producen en procesos de desintegración débil, procesos que son muy inestables. No es fácil explicar tantos muones como los encontrados tan lejos como a 1.5 cm del punto de colisión. Cualquier proceso de desintegración débil los habría producido a una distancia mucho más corta. Se han encontrado unos 300 mil muones cuando los modelos teóricos basados en métodos numéricos de Montecarlo resultan en 70 mil muones menos. Un exceso del 23% es muy grande. ¿Puede que a grandes parámetros de impacto (distancias alejadas del centro de la colisión) se esté subestimando el número de muones de fondo según el Modelo Estándar? Los físicos del CDF tienen una experiencia altamente demostrada durante décadas en calcularlo correctamente, es difícil que se hayan equivocado, pero no imposible. Nada es imposible.

¿Qué podría explicar los resultados observados en el CDF? Hay varias posibilidades pero todas apuntan a la existencia de alguna nueva partícula aún no descubierta, quizás una partícula tipo bosón escalar (de la misma familia que el bosón de Higgs o del inflatón posible responsable de la era de la inflación tras el Big Bang). El Modelo Estándar permite la existencia de bosones escalares pero no los incluye ya que nadie ha observado ninguno. Si el CDF ha descubierto el primero su incorporación seguramente no requerirá que nadie se rasge las vestiduras pero se convertirá en un firme candidato a Premio Nobel de Física. 

Se cofirme o se refute el resultado del CDF lo importante de este ejemplo es que todavía nos quedan muchas cosas por aprender del Modelo Estándar y de la física de partículas «convencional» sin necesidad de recurrir a exotismos como la supersimetría, los axiones y otros constructos teóricos. He de confesar que soy de los que piensan que la supersimetría es correcta y que será descubierta en el LHC del CERN.

PS (2 julio 2009): Más sobre los multimuones anómalos detectados en el CDF II con parámetro de impacto de 1,5 cm. Un nuevo artículo de F. Ptochos (CDF Collaboration), «Multi-muon events at CDF,» ArXiv, Submitted on 1 Jul 2009, trata de aclarar un poco el asunto. Me gustaría destacar un par de frases en dicho artículo: «It is difficult to reconcile the rate and characteristics of these anomalous events with expectations from known SM sources. Although one can never rule out the possibility that these data could be at least partially explained by detector effects not presently understood, we will present some additional properties of the ghost sample.» Aunque también afirman que «The possibility of instrumental effects, trigger and reconstruction biases have been investigated in detail.» Lo dicho, habrá que estar al loro a ver qué van publicando al respecto. Esto va a dar para largo…

Gran descubrimiento en el Fermilab: Un pequeño paso para el Modelo Estándar, un gran paso hacia el bosón de Higgs

Por primera vez se han observado desintegraciones hadrónicas en pares de bosones vectoriales WW/WZ/ZZ. Unas 1500 desintegraciones en el CDFII. De ellas 5 podrían ser del bosón de Higgs. Cuando se observen 45000 unas 40 podrían ser Higgs. Los americanos se podrían adelantar a los europeos. Esta señal es muy importante como prerrequisito en la búsqueda en el Tevatrón de un bosón de Higgs de baja masa (unas 130 veces la masa del protón), muy difícil de detectar porque casi siempre se desintegra en quarks b sobre un fondo de millones de millones de quarks b. Rara vez se desintegra en un par de bosones vectoriales. Nadie los había observado pero todo el mundo sabía que existían. El nuevo descubrimiento del Tevatrón insufla las posibilidades de que los americanos den la sorpresa y se lleven el Premio Nobel por el descubrimiento del bosón de Higgs. Nos lo cuenta magistralmente, como siempre, Tommaso Dorigo, «Hadronic Dibosons Seen. Next Stop: the Higgs!,» Scientificblogging.com, May 29th 2009 , y Tommaso Dorigo, «Another First Observation for CDF!,» Scientificblogging.com, May 29th 2009 . El artículo técnico es CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. «First Observation of Vector Boson Pairs in a Hadronic Final State at the Tevatron Collider,» ArXiv, Submitted on 28 May 2009 .

Había evidencia sobre las desintegraciones en dibosones, pero esta es la primera observación definitiva del fenómeno. El artículo, enviado para publicación a PRL, presenta la observación de 1516 +/-239(stat) +/-144(syst) dibosones (en un análisis burdo, este resultado difiere de cero por 1516/sqrt(239^2+144^4)= 5.4 desviaciones estándares, un cálculo más exacto nos da 5.3 desviaciones típicas). Lo más importante es que el resultado (para la sección eficaz del proceso) confirma con precisión el Modelo Estándar. El descubrimiento es importante como un primer paso para encontrar el Higgs por este hecho. Entre 1516 desintegraciones sólo unas pocas serían debidas al Higgs, pero cuando se tengan decenas de miles de desintegraciones, el efecto del Higgs será observable como una pequeña «joroba» en los datos observados respecto a los datos teóricos del Modelo Estándar. Dicha «joroba» será claramente detectada (si existe el Higgs y tiene una masa inferior a 135 GeV, claro está) cuando se tengan unas 45000 mil desintegraciones dibosónicas. La «joroba» corresponderá a unas 40 desintegraciones dibosónicas por encima del valor esperado por el Modelo Estándar. Esto será una señal suficiente para proclamar el descubrimiento del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Esto puede ser pronto, dentro de un año o así.

¡Esto se pone caliente! Más aún por el hecho de que el LHC del CERN si no es ciego sí es tuerto en la zona de masas del Higgs inferiores a 135 GeV. En su caso, al LHC le costará muchos años detectar el Higgs, pero el Tevatrón lo está rozando con la punta de los dedos. ¡Emocionante!

PARA SABER MÁS: El Meneo y subsiguiente portada de esta noticia me ha hecho ver que la mayoría de los que han meneado la noticia lo han hecho en honor a mezvan sin entender nada de la entradilla (el primer párrafo de esta entrada). Voy a tratar de aclarar algunas ideas. Por supuesto esto requiere un esfuerzo: cierto interés por la física de partículas elementales.

Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en el CERN en 1983 (Premio Nobel para Carlo Rubbia). Originalmente los bosones W fueron predichos por Enrico Fermi en 1933 para explicar la desintegración (radioactividad tipo) beta. La radioactividad beta es el proceso por el cuál un neutrón aislado (fuera de un núcleo) se desintegra en pocos minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hoy en día sabemos que uno de los quarks d (down o abajo) del neutrón (3 quarks, udd) se transforma en un quark u (up o arriba) transformando el neutrón en protón, emitiendo en el proceso un bosón W (de carga negativa) que se descompone rápidamente en un electrón y un antineutrino. La siguiente figura muestra el proceso (sacada de La Aventura de las Partículas, que ahora mismo recomiendo al que no se haya enterada de nada de lo que he dicho y quiera enterarse del resto).

Hoy en día contamos con una teoría llamada electrodébil que explica el electromagnetismo (cuyos responsables son los fotones) y la fuerza nuclear débil (cuyos responsables son los bosones W y Z) de una forma unificada. Los bosones W y Z parecen idénticos al fotón salvo por pequeños detalles, tienen una masa en reposo muy grande (unas 160.000 veces la masa de un electrón, pero la masa del fotón parece exactamente nula) y los W tienen carga (el fotón y el Z son neutros). ¿Cómo es posible que haya partículas tan parecidas por un lado y tan diferentes por otro? Hoy en día lo entendemos bastante bien. A muy alta energía, el fotón y los bosones W y Z son partículas idénticas, todas sin masa y sin carga (como el agua de un vaso a temperatura ambiente). Conforme la energía baja se produce una transición de fase (como la congelación del agua en hielo) y una ruptura de la simetría (el agua parece igual por todos lados, sin embargo, el hielo es una cristal con estructura tetraédrica, la isotropía se ha roto) a una energía determinada (igual que el hielo congela a una temperatura determinada, 0º C). La ruptura de la simetría se entiende hoy en día como que 3 de los 4 bosones idénticos a alta energía se tragan 3 bosones escalares de Higgs convirtiéndose en los bosones W+, W- y Z. El cuarto bosón no se traga ningún Higgs y se queda como está. Por eso vemos a baja energía a los fotones y por eso creemos que algún día también se verá en los aceleradores de partículas al bosón de Higgs (los que han quedado sin que nadie se los trague). Entiendan los expertos que trato de hablar en el lenguaje más simple posible.

Los bosones W y Z tienen una masa de 80.4 GeV/c^2 y 91.2 GeV/c^2, respectivamente (unas 86 y 97 veces la masa de un protón o núcleo del átomo de hidrógeno). Por comparación, estos bosones son más masivos que los núcleos de un átomo de hierro. Por más comparación, la partícula más masiva conocida es el quark t (top) que tiene una masa de 172.8 GeV/c^2 y el quark b (bottom) solo tiene unos 4.5 GeV/c^2. En física de partículas elementales la masa en reposo de un partícula no es un valor único y bien definido. La masa en reposo depende de la energía y presenta una curva en forma de pico (llamada técnicamente resonancia) con una pequeña anchura. ¿Qué significa esto? Significa que los valores que he dado para las masas son los valores más probables (donde se encuentra el pico de la resonancia) para la masa que cada partícula presenta cuando la observemos puede tener un valor un poco más pequeño o un poco más grande. Bueno, también puede tener una masa mucho más pequeña o mucho más grande pero es muy poco probable encontrar una partícula con dichas masas. Técnicamente la descripción de la depedencia con la energía de la masa en reposo sigue una función de Breit-Wigner (distribución de probabilidad de Cauchy-Lorentz para los matemáticos).

Imagina que el bosón de Higgs es una partícula inestable (con una corta vida) que se desintegra en otras partículas. Supongamos que tiene una masa menor de 135 GeV/c^2. No puede desintegrarse en una pareja de quarks t pero sí en una pareja de quarks b (la manera más probable en la que puede desintegrarse). Sin embargo, a las energías que se estudian en el Tevatrón, donde colisionan un protón y un antiprotón, o las energías que se estudiarán en el LHC, donde se colisionarán dos protones entre sí, el número de quarks b que se observan en una colisión es enorme (miles de millones). Encontrar la señal de una desintegración de un Higgs en un par de quarks b es muy difícil (como encontrar una aguja en un pajar de miles de millones de pajas).

El bosón de Higgs también se puede desintegrar de otras maneras, por ejemplo, en un par de bosones WW o ZZ. La suma de sus masas es mayor que la del Higgs que estamos considerando (80+80 > 135) por lo que este suceso es muy raro. Extremadamente raro. Pero su probabilidad no es cero y se puede medir. Según el Modelo Estándar, aproximadadamente, una de cada 300 desintegraciones de este tipo debería ser debida a un bosón de Higgs. Para encontrar el Higgs es necesario encontrar muchas desintegraciones de tipo dibosón (WW, WZ o ZZ). Hasta el momento se habían encontrado muy pocas. El nuevo análisis de los resultados del detector CDF ha encontrado un fondo de unas 1500 desintegraciones de este tipo. Es algo raro y en lo raro es más fácil encontrar lo muy raro.

Entendemos tan bien la física del Modelo Estándar que ha resultado que la observación de estas desintegraciones dibosónicas en el CDF se ajusta perfectamente a la teoría (sin tener en cuenta el bosón de Higgs). Esto es muy importante. Porque conociendo bien la teoría podremos estudiar si hay pequeñas desviaciones respecto a la teoría y en dichas pequeñas desviaciones se encontrará trazas de la existencia del bosón de Higgs. En 1516 desintegraciones sólo 4 o 5 podrían ser debidas al Higgs son muy pocas para poder separarlas del resto. Pero con el nuevo tipo de análisis de los datos del CDF-II se podrán estudiar decenas de miles de desintegraciones (se espera tener unas 45000 en un año) y en ellas el número de desintegraciones anómalas (un exceso no esperado según el Modelo Estándar sin bosón de Higgs) constituirían una señal inequívoca de que el bosón de Higgs existe (se observará un pico alrededor de cierta energía que corresponderá a la masa en reposo del Higgs).

En conclusión, el nuevo resultado es importante por dos cosas. La primera porque confirma el Modelo Estándar y la segunda porque abre un nuevo camino para encontrar el bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Un camino que puede requerir un año (poco más). Un camino que observará al bosón de Higgs si existe y tiene una masa inferior a unos 135 veces la masa del protón. Si el bosón de Higgs tiene una masa superior, será muy fácil verlo en el LHC del CERN.

No sé si esto aclara algo… hay muchas entradas sobre el bosón de Higgs en este blog. Te animo a buscarlas.