Blogia
El rincon de ingenieria de infragon

emulenews - Por qué es difícil descubrir el bosón de Higgs

Por qué es difícil descubrir el bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula que no se puede observar de forma directa en el LHC del CERN o en el Tevatrón del Fermilab ya que su vida media es demasiado corta para dejar una traza visible: si se produce un Higgs en una colisión se desintegrará tan rápido que lo único que se podrá observar son los resultados de su desintegración (lo mismo le pasa al quark top). Como el bosón de Higgs interactúa con cualquier partícula que tenga masa en reposo no nula, sus productos de desintegración son de una diversidad enorme, lo que dificulta mucho saber si los productos de una desintegración concreta corresponden a una colisión que ha producido un Higgs o a una que no lo ha producido. Me ha gustado mucho el post de Flip Tanedo, “An Idiosyncratic Introduction to the Higgs,” US LHC Blog, 25 Mar 2011. Te recomiendo su lectura. Va directo al grano, los diagramas de Feynman que involucran al Higgs. Para los que no lean bien en inglés presentaré un resumen.

Las partículas elementales en el modelo estándar son de dos tipos: partículas de materia (fermiones), que se representan en un diagrama de Feynman con líneas continuas y flechas, y las partículas transmisoras de una interacción (bosones gauge), que se representan como líneas onduladas. El bosón de Higgs es un bosón, pero un bosón escalar, lo que le hace diferente a los otros bosones gauge como el fotón, los bosones WZ, y los gluones que son bosones vectoriales. ¿Cuál es la diferencia entre ser escalar y ser vectorial? La diferencia más obvia es en el comportamiento de la partícula ante rotaciones (de la partícula o de los ejes de coordenadas). Un bosón vectorial es como una partícula puntual con una flecha: hay que girar la partícula 360 grados para que no cambie su estado. Sin embargo, un bosón escalar es como una partícula puntual sin flecha: la partícula se puede girar cualquier ángulo sin que cambie su estado. Por cierto, para los fermiones un giro de 360 grados no recupera el estado original, es necesario un giro de 720 grados para lograrlo.

En un diagrama de Feynman el bosón de Higgs se representa por una línea discontinua (la “h” no es necesaria):

En un diagrama de Feynman la interacción entre varias partículas se representa mediante un vértice en el que coinciden estas partículas. El bosón de Higgs del modelo estándar mínimo es una partícula neutra (para la carga eléctrica y para la carga de color) por lo que se puede desintegrar en un par de partículas cuya suma total de carga sea nula. Por ello un bosón de Higgs puede desintegrarse en un par de fermiones (ff o fermión-antifermión) o en un par de bosones gauge (XX, ambos neutros o de cargas opuestas).

La desintegración más probable del Higgs en dos fermiones es en un par quark-antiquark (qq), aunque también puede hacerlo en un par leptón-antileptón (ll), por ejemplo, un par electrón-positrón (ee). El acoplamiento del Higgs con los fermiones depende de la masa del fermión por lo que las desintegraciones más probables son las conducen a dos fermiones pesados: un par de quarks bottom-antibottom (bb), un par de quarks charm-anticharm (cc) y un par tauón-antitauón (ττ); para que el Higgs se pudiera desintegrar en un par de quarks top-antitop (tt) tendría que tener una masa mayor que el doble de la del quark top, o sea mayor de 346 GeV/c² (hoy en día se prefiere un Higgs mucho más ligero). La probabilidad de cada una de estas desintegraciones depende de la masa del Higgs y puede ser calculada utilizando el modelo estándar; la siguiente figura muestra curvas con el resultado.

La desintegración del Higgs en dos bosones gauge también depende de su masa. Como muestra la figura de arriba, el Higgs se puede desintegrar en un par de gluones (gg), un par de bosones vectoriales débiles (WW o ZZ), un par fotones (γγ), y un fotón y un Z (Zγ). La figura muestra en su eje vertical el Branching Ratio que es la probabilidad para cada canal de desintegración (la suma de las probabilidades de desintegración de todos los canales totaliza la unidad). Para un Higgs con una masa de 120 GeV/c² lo más probable es la desintegración bb, seguida de WW, gg, ττ, cc, ZZ, γγ y Zγ (esta última es cuatro órdenes de magnitud más pequeña que la primera). Ejercicio: cuáles son las desintegraciones más probables de un Higgs con una masa de 160 GeV/c².

En el LHC del CERN se busca la producción de un Higgs en la colisión de dos protones (en el Tevatrón del Fermilab se colisionan un protón y un antiprotón). Los protones no son partículas elementales, están compuestas de quarks, antiquarks y gluones. Hay tres quarks de valencia rodeados de un gran número de partículas virtuales, tanto gluones virtuales como pares quark-antiquark virtuales, que aparecen y desaparecen de forma constante. Los bosones de Higgs son producidos por las colisiones de partículas virtuales, una de un protón y otra del otro protón. El canal principal de producción de un Higgs en el LHC es la fusión de dos gluones virtuales, aunque la producción directa gg→h no es posible (el gluón no tiene masa en reposo), tiene que estar mediada por quarks, como muestra el siguiente diagrama de Feynman (el quark q se puede cambiar por un antiquark):

Este diagrama (gg→h) presenta un bucle cerrado de quarks en su centro. Un gluón de un protón se desintegra en un par quark-antiquark; el quark (o el antiquark) colisiona con un gluón del otro protón que lo desvía de tal forma que choca contra el antiquark (o el quark) original produciendo un bosón de Higgs. No hay que pensar mucho para darse cuenta de que la probabilidad de este diagrama es baja (es un diagrama complicado). Como el quark top es el más masivo, la producción de un Higgs por este diagrama es más probable cuando los quarks virtuales son quarks top, por lo que este diagrama es mucho más probable en el LHC (colisiones a 7000 GeV c.m.) que en el Tevatrón (colisiones a 1960 GeV c.m.). 

Otra forma de producir un Higss es mediante la producción de cuatro quarks top (dos pares top-antitop) virtuales, como muestra el siguiente diagrama de Feynman:

En este diagrama de producción del Higgs (gg→tth), además del Higgs aparecen como productos de la colisión un quark top y un antiquark top (o quark antitop), por ello, aunque el diagrama parece más sencillo tiene una menor probabilidad que el anterior.

La producción del Higgs también se da en la interacción débil entre dos quarks virtuales (uno de cada protón) a través de un par de bosones vectoriales (ambos W de carga opuesta o ambos Z, que son neutros); cuando ambos bosones vectoriales colisionan se produce un Higgs según el siguiente diagrama de Feynman:

Este diagrama (qq→qqh) se conoce como fusión vectorial porque son los bosones vectoriales W o Z virtuales los producen el Higgs.

También se produce un Higgs asociado a la de bosones vectoriales W o Z , según el siguiente diagrama de Feynman, en el que la colisión de un par quark-antiquark produce un bosón vectorial que emite un Higgs:

Aunque otras maneras de producir un Higgs en una colisión protón-protón, los cuatro diagramas anteriores son los procesos dominantes. La probabilidad de producir un Higgs por todos estos canales depende de su masa. La figura siguiente muestra las secciones eficaciones de producción (básicamente la probabilidad de producción) del bosón de Higgs en el LHC a partir de los diagramas anteriores y alguno más:

El eje vertical de la figura de arriba es la sección eficaz medida en femtobarns (fb) y permite calcular el número de bosones de Higgs producidos tras estudiar cierto número de colisiones (que se mide en inversos de femtobarn, 1/fb), la luminosidad integrada. Para el bosón de Higgs del modelo estándar el mecanismo de producción dominante en el LHC es la fusión de gluones gg→h.

¿Por qué es difícil observar el Higgs en las colisiones del LHC? El mayor problema es que los modos de producción y desintegración del Higgs producen trazas similares a muchos otros procesos que no muestran un Higgs (que en la búsqueda del Higgs se llaman procesos de “fondo” o background). Por ejemplo, la producción de Higgs por la fusión de dos gluones, acompañada de dos quarks top, resulta en la siguiente desintegración

gg → tth → blν blν bb

donde el quark (antiquark) top decae en un un quark (antiquark) bottom, un leptón y un neutrino, y el Higgs decae en un par quark-antiquark bottom. ¿Cómo se observan estos cuatro quarks bottom en los experimentos? Como estos quarks son pesados y pueden decaer en muchas otras partículas con menos masa, se produce una cadena de desintegraciones con un gran número de partículas producidas todas en cierto cono (ángulo sólido) que se denomina chorro (hadrónico). Por ello, el proceso anterior conduce a la observación de cuatro chorros de partículas, dos leptones y dos pérdidas de energía (los neutrinos no se observan directamente en el LHC). Un proceso muy complicado de analizar que se complica aún más porque cuando los leptones pesados (tauones) también pueden producir un chorro (leptónico). El resultado es que la colisión de dos gluones produce un Higgs y un par quark-antiquark top pero observamos en los experimentos las trazas de unas 100 partículas que se mueven prácticamente en todas las direcciones. Esto sería sencillo si no fuera porque muchos otras colisiones sin Higgs pueden producir cuatro chorros hadrónicos cuyas trazas en los detectores son muy parecidas a las del Higgs. La relación señal/ruido (S/N) en la producción del Higgs es muy mala y requiere acumular un enorme número de colisiones candidatas antes de que se pueda proclamar una observación fiable de esta esquiva partícula.

El descubrimiento del Higgs requerirá varios años en el LHC del CERN ya que hay que esperar que se acumule un número suficientemente alto de colisiones. Lo más razonable es que se proclame su descubrimiento o casi descubrimiento durante la primavera o el verano de 2013 (todo depende del número total de colisiones que logre acumular el LHC este año y el próximo.

Las desintegraciones más “limpias” (o con mejor relación S/N) son poco probables, como la desintegración en un par de fotones (h→γγ), proceso que no ocurre directamente (pues los fotones no tienen masa) sino a través de quarks virtuales. Este proceso es muy poco frecuente, pero su señal es muy clara y distintiva (la relación S/N es muy buena). Por ello este modo de desintegración es uno de los más prometedores (pero sólo si el Higgs tiene una masa baja, inferior a 130 GeV/c²). El problema ahora mismo es que este modo de desintegración requiere analizar un enorme número colisiones porque es muy poco probable (como muestran la figura de más arriba).

En los experimentos ATLAS y CMS del LHC, así como en CDF y DZero del Tevatrón, se está buscando al bosón de Higgs en prácticamente todos los canales de producción/desintegración posibles. Algunos canales son más prometedores que otros, por ejemplo, Julien Baglio y Abdelhak Djouadi, “Implications of the ATLAS and CMS searches in the channel pp→Higgs→ττ for the MSSM and SM Higgs bosons,” ArXiv, 31 Mar 2011, proponen que el canal gg→h→ττ podría permitir el descubrimiento de un Higss en el rango de masas 115-135 GeV/c² con unos pocos inversos de femtobarn de colisiones (es decir, que podría darse el milagro de un descubrimiento del Higgs durante el año 2012). En mi opinión, estos autores tildan de optimistas.

En resumen, descubrir el bosón de Higgs es difícil porque se acopla a todas las partículas con masa y gracias a ello se sabe esconder muy bien (con una relación señal/ruido muy mala). Pero lo que hay que tener claro es que el LHC del CERN en los próximos años (con buena suerte en 2013, pero con mala suerte en 2016) acabará siendo descubierto.

PS (04 abr. 2011): Me ha preguntado un amigo tomando un café lo siguiente (más o menos): Si existiera un bosón de Higgs, cómo cambiarían las figuras con “bandera brasileña” sobre la búsqueda del Higgs. Le he dicho que incorporaría una figura que ví hace poco. Abajo a la izquierda tenéis la figura experimental del Tevatrón a fecha de 19 de julio de 2010 para un bosón de Higgs de baja masa y a la derecha tenéis la figura teórica que se esperaría obtener si se “inyecta” un bosón de Higgs de 125 GeV/c². Como podéis comprobar ambas figuras son compatibles entre sí, es decir, los resultados del Tevatrón son consistentes con la existencia de un Higgs con dicha masa. La figura está extraída de la charla de Michael Cooke (On behalf of the CDF and DZero Collaborations), “Searches for Low-mass SM Higgs at the Tevatron,” 46th Rencontres de Moriond (QCD), March 21, 2011.

Más abajo tenéis también la figura con incluye la inyección de un Higgs con una masa de 115 GeV/c² también extraída de la charla de Michael Cooke (cuyas transparencias recomiendo a todos los interesados en más detalles).


Filed under

¿Y esta publicidad? Puedes eliminarla si quieres
¿Y esta publicidad? Puedes eliminarla si quieres

0 comentarios

¿Y esta publicidad? Puedes eliminarla si quieres