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Resaca Higgs

Área: Física — viernes, 6 de julio de 2012

Revisión sobre el bosón Higgs a la luz de los últimos datos proporcionados por el LHC.

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Esquema de familias de partículas y su interacción en el Modelo Estándar. Fuente: AAAS, Wikimedia Commons.

Ahora que ya ha pasado un tiempo podemos meditar un poco sobre el anuncio del descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs hecho hace unos días.
Primero deberíamos revisar el Modelo Estándar. Según este modelo hay fermiones (partículas de spin semientero que responden a la estadística de Fermi-Dirac) que son las que constituyen la materia. Estos a su vez se dividen en leptones y quarks. Hay tres familias de fermiones, pero sólo la primera de ellas es estable. Usted y todo lo que le rodea está hecha de esa primera familia (electrón, neutrino electrónico, quark up y quark down). También hay bosones (de spin entero o que responden a la estadística de Bose-Einstein) de intercambio que son los que forman los campos. Así, el fotón crea la fuerza electromagnética, el gluón la fuerza nuclear fuerte (la que mantiene a los quarks unidos) y los bosones W+, W y Z la fuerza nuclear débil (la responsable de la radiactividad).
Como a los físicos les gustan las cosas unificadas propusieron hace décadas que la fuerza nuclear débil y la electromagnética son sólo una a altas energía (o fueron sólo una a comienzos del Big Bang). Pero los fotones no tienen masa y los bosones de la fuerza débil sí. Así que el ateo de Peter Higgs y otros físicos anteriores y posteriores desarrollaron un sistema de ruptura espontánea de la simetría mediante el cual las W+, W y Z adquirían masa y los fotones no. Sería un bosón escalar (que al final se llamó bosón de Higgs), que además no sería mediador de una fuerza, el que dotaría de masa a las partículas. Estos bosones crearían un campo de Higgs y según las partículas interaccionaran más o menos con ese campo adquirirían más o menos masa.
¿Cuántos bosones de Higgs hay? Si nos atenemos al Modelo Estándar Mínimo, el campo de Higgs consiste en dos componentes cargadas y dos componentes neutras (un doblete complejo de isospin). Las dos cargadas y una de las neutras forman bosones Goldstone que funcionan como componentes de polarización de las partículas W+, W y Z. La cuarta sería precisamente “El” bosón de Higgs.
El boson de Higgs no sólo tendría spin entero como todos los bosones, sino que tendría spín cero, ya que el campo de Higgs es un campo escalar (en contraposición a vectorial). El campo de Higgs no sólo dota de masa a las demás partículas, sino que además dota de masa al mismo bosón de Higgs.
El bosón de Higgs no puede tener una masa por encima de 1,4 TeV/c2, so pena de que el Modelo Estándar se torne inconsistente. Aunque mediciones precisas en el LEP permitieron acotar mejor la masa del Higgs. Desde que empezó a funcionar el LHC ha estado descartando franjas de energía en las que podría estar el Higgs. Según los datos hechos públicos el otro día, el candidato a Higgs supuestamente descubierto tiene unos 125 GeV/c2 de masa, es decir, más o menos la misma masa que unos 125 protones.
Pero el Modelo Estándar Mínimo no es el único modelo que se ha inventado. Algunos de estos modelos extendidos (hay cientos de variantes) amplían el sector Higgs con dobletes y tripletes adicionales que dan lugar a más bosones. Algunos de esos modelos predicen un quinteto de bosones de Higgs: dos bosones neutros CP-par h0 y H0, un bosón nuetro CP-impar A0 y dos bosones cargados H+ y H. Serían los modelos de dos dobletes de Higgs (2HDM).
La manera de distinguir entre los distintos tipos de modelos extendidos y el Modelo Estándar Mínimo es ver cómo se acoplan los Higgs a las demás partículas y ver qué proporciones hay entre los distintos modos que tienen estos Higgs de decaer en otras partículas. El 2HDM de tipo-I tiene un doblete que se acopla a los quarks up y down y el otro no lo hace. Tiene además dos límites posibles. En uno de ellos el Higgs más ligero no se acopla a los fermiones por lo que sería fermiofóbico (volveremos a esto más adelante) o bien no lo haría a los bosones tipo gauge. En el 2HDM de tipo-II uno de los dobletes Higgs se acoplaría a los quarks tipo “up”, mientras que el otro lo haría a los de tipo “down”.
El Modelo Estandar Mínimo Supersimétrico sería un 2HDM de tipo-II. Por tanto, el estudio del Higgs permitiría estudiar la supersimetría (si es que existe). Algunos modelos supersimétricos predicen que el bosón de Higgs más ligero tendría una masa justo por encima de 120 GeV/c2.
Recordemos que la supersimetría propone que cada partícula conocida tendría una partícula aparejada más pesada con el spin cambiado, de tal modo que los bosones tendrían parejas fermiónicas y viceversa.
En conclusión, si estudiamos, por ejemplo, los modos en los que se desintegra el Higgs podemos saber qué modelos se acercan más a la realidad física.
Ahora pasemos a revisar qué es lo que se estudia en el LHC para este caso del Higgs. Resulta que el Higgs nunca es registrado directamente. Sólo se detectan los subproductos que se generan cuando decae (desintegra). El supuesto bosón que dicen haber detectado decae enseguida. Esto es algo con lo que se ya contaba y los detectores fueron diseñados para ello.
Así que en el LHC se aceleran los protones a casi la velocidad de la luz y se les hace chocar unos contra otros justo en el centro de los detectores y parte de su energía cinética en transformada en otras partículas. Los protones son partículas compuestas y dan choques sucios, pero si tenemos fe en los físicos e ingenieros y se registran miles de millones de sucesos es posible separar la información en varios “canales interesantes”. De este modo, se habla del canal “difotónico” cuando el supuesto Higgs decae en dos fotones, o el canal ZZ cuando se desintegra en dos partículas Z (que a su vez decaen en cuatro leptones: cuatro muones, cuatro electrones o bien dos muones y dos electrones). Sólo el 0,01% de los Higgs decaería de esta forma. También está el canal WW y otros. Incluso los canales tienen subcanales.
El caso es que estudiando cuántos sucesos se dan en cada canal podemos saber muchas cosas e incluso deshacernos de algún modelo teórico. Tanto ATLAS como CMS pueden estudiar varios de estos canales.
Pues bien, los datos hechos públicos se refieren a sólo dos de esos canales: el difotónico y el ZZ. Así que como no se tiene toda la información no se puede proclamar a los cuatro vientos que se ha descubierto “El Higgs”. No obstante, según el primer canal existe un bosón de 126 GeV/c2 de masa y esto se puede afirmar con una significación estadística de 4,5 σ combinando los datos de los dos últimos años (4,5 σ si sólo consideramos los de este año).
Lo malo es que estamos hablando de confianza estadística local, pues sólo se tiene en cuenta una ventana relativamente estrecha de masas-energías en torno a 125 GeV. Cuando mayor sea la ventana más ruido estadístico se mete en los cálculos y menor es la significación. Si nos centramos entorno al “lugar interesante” entonces la significación mejora. Si en Estadística queremos hacer trampas sólo tenemos que quedarnos con lo que nos interesa (votantes en torno a los 50 años de edad si queremos que demostrar que el voto es conservador, por ejemplo) y no hacer caso del resto. Aunque, que quede claro, los chicos el LHC no hacen trampas, pues proporcionan todos los números. En este caso dicen que la estadística global se reduce a 3,6 σ para este caso. En este canal se han registrado en total 200 eventos que apuntan al Higgs.
Los datos del canal ZZ son más escasos, pero como los eventos son en este caso muy limpios, permiten afirmar que existe un Higgs estándar de 125 GeV/c2 con una significación local de 3,6 σ. Sólo se han observado 13 eventos de este tipo.
Pues bien, combinando los datos de ambos canales se puede hablar que existe un bosón compatible con el bosón de Higg con una significación local de 5 σ. Significación que se reduce a 4,3 σ si consideramos el intervalo 100-150 GeV/c2.
Los datos de estos canales permiten además rechazar la hipótesis de un bosón de Higgs fermiofóbico.
¿Y qué hay de los otros canales? Pues ATLAS no han hecho públicos sus datos. El problema es que estos otros canales son más difíciles de estudiar, porque algunos de los subproductos no se detectan.
Todavía no se puede estar completamente seguro de que se trate de “El bosón de Higgs” y algunos indicios apuntan a que quizás haya algo más allá del Modelo Estándar, incluso que haya supersimetría. El número de eventos en el canal difotónico en ambos experimentos (ATLAS y CMS) es superior a lo que cabría esperar. Esto podría deberse a una nueva física más allá del Modelo Estándar, como sería la existencia de una nueva superpartícula cargada, más de un Higgs, supersimetría, etc.
Otro indicio es la extremada escasez de datos en el canal WW. Según el Modelo Estándar Mínimo debe de haber eventos en ese canal a las energías a las que opera el LHC. Aunque esta escasez podría no ser real y deberse a que este canal es muy difícil de estudiar. Pero si resultara que el efecto fuera real entonces quizás no se trate de “El Higgs”, sino de un bosón no escalar (spin distinto a cero). Quizás un bosón de spin 2, pues el caso de spin 1 ha sido rechazado por los datos del canal difotónico. Sin embargo, los datos del Fermilab ya indicaban en su día que no puede haber un bosón de spin 2 a esas energías.
Los canales de taus y los canales de quarks b también presentan un déficit, lo que indicaría que el supuesto Higgs interaccionaría de diferente manera con los fermiones que con los bosones.
En definitiva, hacen falta más datos, que serán cosechados a lo largo de los próximos meses, para así ir rechazando modelos e hipótesis y asegurarnos que efectivamente hemos cazado un Higgs.
Si hay supersimetría no hay manera de saber si este bosón es un h0 o si se trata del bosón de Higgs estándar. El problema es que h0 y H0 sólo se diferenciarían en la masa. Si hay supersimetría habríamos detectado el h0, pero necesitaríamos detectar el H0, para afirmar que se trata efectivamente del h0 y no del H estándar. La otra posibilidad, de que se haya detectado el H0 y que haya un h0 de masa inferior, queda descartada por los datos del LEP. Si hay un H0 debe tener una masa superior a 560 GeV/c2, porque por debajo ya ha sido explorado en el LHC sin que se haya encontrado. Pero probablemente tenga una masa inalcanzable para el LHC.
También sería posible que aparecieran los bosones A0, H+ y H. En el LHC se están buscando todos estos bosones, pero todavía no han aparecido. Tampoco han aparecido partículas supersimétricas, sean bosones de cualquier tipo o no.
Hace falta que el LHC llegue a los 14 TeV, en lugar de a los 8 TeV actuales, para que se pueda estudiar la interacción del supuesto Higgs consigo mismo. Esto ayudará mucho a saber su verdadera naturaleza, pero, como muy pronto, esto no sucederá hasta finales de 2014.
Algún físico del pasado llegó a decir que la ciencia o bien es Física o bien es Filatelia para así hacer un chiste a costa de la Biología, pero ahora los biólogos pueden vengarse y decir que un ornitorrinco existe como especie sin necesidad de usar ninguna significación estadística.

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12 Comentarios

  1. Kelly - Medio Ambiente:

    En Física de Partículas el concepto de observación se define estadísticamente en términos de desviaciones estándar o ‘sigmas’, que indican la probabilidad de que un resultado experimental se deba a la casualidad en vez de ser un efecto real.

  2. NeoFronteras:

    No tiene que ver nada un concepto con otro. Uno se refiere a la probabilidad interna de la Mecánica Cuántica. El otro concepto (las sigmas o desviaciones típicas) es más mundana y tiene que ver con la estadística tradicional.

  3. Alejandro:

    Siento mucho decir que no me he enterado de mucho. En absoluto es culpa del autor, sino de mi desconocimiento del tema.

    Pero hay una cosa que me parece especialmente contraintuitiva. Buscan el Higgs haciendo colisionar protones. Y encuentran una partícula con una masa de 125 protones.

    ¿Cómo es posible?

  4. NeoFronteras:

    Estimado Alejandro:
    Los protones que se hacen chocar tienen tanta energía (tal velocidad) que es suficiente (gracias a la relación E=mc^2) como para crear toda esa masa y más. La masa y la energía son aspectos de la misma cosa.

  5. NeoFronteras:

    Por cierto, 5-sigma equivale a decir que hay sólo una posibilidad en 1.744.278 de que el resultado sea debido al azar.

  6. cosme:

    Desde mi total ignorancia nunca llego a comprender como “visualizan” los resultados. Me imagino que se debe estar observando con una cámara o microscopio…no llego a entender el proceso

  7. NeoFronteras:

    Estimado Cosme:
    En los puntos de colisión se construyen los “experimentos”, que son muy grandes, muy pesados y contienen multitud de detectores. Este es ATLAS. Todos ellos mandan la información a sistemas computacionales muy complejos que filtran la que es irrelevante y almacenan los sucesos interesantes. Los eventos se visualizan así en pantallas.

  8. lluís:

    En descargo de los físicos cabe decir que los ornitorrincos tambien responden a las leyes de la física.Lo que no acabo de entender es que “el bosón de Higgs”,pueda tener spin entero y cero al mismo tiempo.
    Saludos.

  9. NeoFronteras:

    Es que el cero es un número entero. Pero 0,5=1/2 no lo es, es semientero y racional. El conjunto de los números enteros contiene el cero, al igual que el conjunto de los naturales. Cero denota la no existencia de algo, pero el cero en sí existe.

  10. cosme:

    Gracias Neo por aclararme el panorama. Saludos

  11. Javier:

    La física de partículas es un tema que en lo personal reconozco como fascinante, pero hay un dato que me gustaría conocer, una vez que se haya completado el modelo estándar de la física ¿Hacia adonde se dirigen los siguientes experimentos? ¿Que alcance tendrá el conocimiento de la misma?

  12. NeoFronteras:

    Carlo Rubbia propone la construcción de un colisionador de muones. Al ser más pesados que los electrones se podría alcanzar suficiente energía como para estudiar bien el Higgs. Al ser una partícula no compuesta daría lugar a choques limpios fáciles de estudiar. Al viajar a velocidades relativistas pueden dar lugar a muchos choques antes de desintegrarse.
    Un acelerador de este tipo podrían ser 10 veces más pequeño que el LHC y, por tanto, más barato.
    Aunque habría que desarrollar determinada tecnología primero. Entre otras cosas no es fácil producir muones y antimuones en grandes cantidades y enfriarlos antes de inyectarlos en el acelerador.

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