Desde la década de 1970, los físicos han sabido que dos fuerzas fundamentales de la naturaleza, la fuerza electromagnética y la fuerza débil, se pueden unificar en una única fuerza-la fuerza electrodébil, siempre y cuando las partículas que transportan estas fuerzas no tengan masa. El fotón, el cual transporta la fuerza electromagnética, no tiene masa, pero las partículas que llevan la fuerza débil tienen una masa considerable, lo que explica el por qué la fuerza débil es más débil que la fuerza electromagnética. Esta unificación puede todavía funcionar si un nuevo bosón de spin-cero, el bosón de Higgs, se introduce, permitiendo que las partículas que llevan la fuerza débil sean masivas. Además, las interacciones con el bosón de Higgs son responsables de las masas de todas las partículas. Estas ideas forman la base del modelo estándar de física de partículas, el cual es consistente con casi todas las observaciones. La gravedad puede actuar una vez que las partículas tienen masa debido al bosón de Higgs-el bosón de Higgs no es la fuente de la fuerza gravitatoria. La pieza que falta en esta excelente imagen completa es el bosón de Higgs. ¿Entonces cuáles son las perspectivas de su descubrimiento?
El modelo estándar de física de partículas y el bosón de Higgs
La materia se compone de fermiones de spin-1/2 las partículas conocidas como leptones y los quarks. Hay tres familias de leptones, cada uno formado por dos partículas: el electrón con su correspondiente neutrino (ν), el muón (μ) y su neutrino, y el lepton tau (τ) y su neutrino [más información aquí y aquí]. Los electrones nos son familiares en la corriente eléctrica y como constituyentes de los átomos, ellos son las más ligeras partículas cargadas eléctricamente.Los Muones y leptones tau están también cargadas y pueden ser consideradas de ser más pesadas que los electrones. Los neutrinos son neutrales y casi sin masa .Todos los leptones pueden ser observados directamente, algunos con más facilidad que otros.
Los quarks también vienen en tres familias, y también tienen carga eléctrica, pero sus cargas son fracciones de la carga del electrón (+2/3 y -1/3). No pueden ser observados directamente, las partículas que se observan, tales como el protón y elpión, se componen de de tres quarks(el protón) o de un quark y su antipartícula, un antiquark(el pión). Cada partícula tiene una correspondiente antipartícula con la misma masa pero con carga opuesta, por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón de carga positiva. Los quarks que se producen en las interacciones de partículas o desintegraciones se materializan como "chorros" de partículas ordinarias colimadas cerca de la dirección del quarks original [ más información aquí ].
Cuatro fuerzas fundamentales actúan sobre los fermiones fundamentales: la gravedad, la fuerza débil (responsable de ladesintegración beta nuclear), la fuerza electromagnética y la fuerza fuerte. Estas fuerzas se producen mediante el intercambio de bosones fundamentales: el gravitón,los bosones cargados(W) el bosón neutro( Z), el fotón,y ocho gluones. Todos los fermiones fundamentales tienen interacciones a través de la fuerza débil, y todos los fermiones fundamentales cargados tienen interacciones electromagnéticas. Sólo los quarks pueden interactuar a través de la fuerza fuerte, y las partículas como los protones que están formados por quarks y, por tanto,tienen interacciones fuertes son llamados hadrones (los "pesados" ). Las partículas fundamentales y las fuerzas se resumen en la figura 1.
figura 1,la imágen muestra los fermiones fundamentales y las fuerzas que llevan los bosones en el modelo estándar.a)Toda la materia está compuesta de leptones y quarks los cuales son fermiones de spin-1/2.Hay tres familias de leptones y tres familias de quarks b) Las interacciones entre las partículas fundamentales ocurren através del intercambio de bosones,los fotones para la fuerza electromagnética,los bosones W+W- y Z para la fuerza débil y los gluones para la fuerza fuerte.Crédito.Contemporary Physics Education Project.http://cpepweb.org/.
Los fotones, los cuales no tienen masa, llevan la fuerza electromagnética, mientras que la masiva W (cargada) y Z(neutra) son las responsables de las interacciones débiles, todas estas partículas son bosones de spin-uno. El modelo estándar mínimo [ ver aquí ], exige además un bosón escalar masivo, el bosón de Higgs, para permitir que la W y la Z sean masivas, tal como lo describe elmecanismo de Higgs [ ver aquí , aquí ,aquí y aquí]. El estado de energía más bajo del campo de Higgs tiene un valor distinto de cero, el cual tiene las dimensiones de masa. Las partículas obtienen su masa de sus interacciones con este campo de Higgs-esta es la razón por la que el bosón de Higgs juega un papel tán importante en la física. El fotón no tiene tales interacciones, por lo que conserva su carácter sin masa, mientras que las masas de las W y Z son aproximadamente 100 veces la masa del protón. La asimetría entre las masas de los fotones y los bosones W y Z se denomina “ruptura de la simetría electrodébil".
Según la teoría, el bosón de Higgs aparece como un doblete de complejos campos escalares, dando cuatro grados de libertad. Tres de los cuatro grados de libertad son no físicos, pero se necesitan como estados intermedios en la teoría, mientras que el cuarto grado de libertad corresponde al simple bosón de Higgs físico. Una vez que el mecanismo de Higgs está incluido, las interacciones electromagnéticas y débiles se unifican en una sola interacción, la interacción electrodébil [ veraquí ,aquí y aquí].
El bosón de Higgs, o alguna otra cosa que juega su papel, es necesario en el modelo estándar, pero aún no ha sido observado. Por lo que su descubrimiento es de suma importancia en la física de partículas. Búsquedas más recientemente se han llevado a cabo en el Gran Colisionador de Electrones Positrones (LEP) en la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) [ veraquí ] y en el colisionador protón-antiprotón (el Tevatron) del Fermilab . Lo más probable es, sin embargo, que se descubrirá en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.
¿A qué masa deberíamos estar buscando el bosón de Higgs? La masa del bosón de Higgs no se especifica en el modelo estándar, pero los teóricos piensan que debe ser inferior a 1000 GeV (unas 1000 veces la masa del protón). En ciertas extensiones del modelo estándar, tales como lasupersimetría pueden haber otras limitaciones en la masa. Los acoplamientos del bosón de Higgs a otras partículas determinan su tasa de producción y su decaimiento a otras partículas, y conocer estas fuerzas(intensidades) de acoplamiento dentro de la teoría permite la predicción de su decaimiento en función de solo su masa desconocida.
Los acoplamientos del bosón de Higgs a otras partículas elementales están directamente relacionadas con su papel en la generación de sus masas. El bosón de Higgs se produce en las interacciones que implican partículas pesadas, y sus desintegraciones están en general dentro de las más pesadas partículas que son cinemáticamente posibles. Si el bosón de Higgs es más pesado que el doble de la masa del bosón W, el se desintegrará principalmente en W+W- y ZZ. Si el es más ligero, decaerá en pares de fermiones pesados [un quark b (quark fondo) y su antipartícula quark b- o un leptón tau τ- y su antipartícula el τ+] [ ver aquí ].
Indirectos límites a la masa del bosón de Higgs.
El valor de la masa del bosón de Higgs afecta a las predicciones del modelo estándar de las cantidades electrodébiles, tales como la masa y la anchura del bosón W y el ancho y otros parámetros del bosón Z , medidos en los colisionadores electrón-positrón, colisionadores de hadrones, y por otra parte a través de correcciones de orden superior a los cálculos básicos, los cuales dependen de manera logarítmica de la masa Higgs. (Esas correcciones dependen del cuadrado de la masa del quark top y exactamente lo predijeron a el antes de que el quark top fuese descubierto.) Estas cantidades electrodébiles se han medido de forma extremadamente precisa, por ejemplo en el LEP, y se ajustan a los datos globales del modelo estándar de la masa Higgs como un parámetro libre proporcionan los límites de la masa del bosón de Higgs, como se muestra en la figura 2 [ ver aquí y aquí ]. La cantidad χ2 es una medida estadística que está de acuerdo con el ajuste de los datos, con el valor mínimo, χmin2, en el más probable valor de la masa Higgs. La global electrodébil ajustada produce Δχ2=χ2-χmin2=1 límite (ver linea azul figura 2), que corresponde a un nivel de confianza del 68% o una desviación estándar de errores en la masa del Higgs de
mH=87-26+35 GeV
o un unilateral límite superior del 95% de confianza, incluida la banda de incertidumbre teórica, en la mh de 157 GeV (ver figura 2).La precisión electrodébil ajustada por lo tanto prefiere un bosón de Higgs relativamente de poca masa.
figura 2 :Δχ2=χ2-χmin2 es una función de la masa del bosón de Higg mh.La línea azul es el resultado del ajuste y la banda azul representa un estimado del error teórico faltándo mayores correcciones,la curva roja punteada es el resultado obtenido usando una evaluación alternativa la contribución hadrónica a la polarización de los fotones del vacío.La curva magenta punteada corresponde a un ajuste que incluye las dispersiones neutrino-nucleón.La región sombreada amarilla indica la región de exclusión a partir de la búsqueda directa en el LEP y en el Tevatrón.Crédito:http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/.
El bosón de Higgs en modelos supersimétricos.
Las extensiones supersimétricas del modelo estándar ver[ aquí y aquí ,aquí ,aquí, aquí ,aquí y aquí] son particularmente interesantes en el campo teórico. En las teorías supersimétricas existe una relación entre fermiones y bosones. Cada partícula tiene una pareja supersimétrica con las mismas propiedades, excepto que los fermiones tienen parejas supersimétricas que son bosones, y los bosones tienen parejas supersimétricas que son fermiones. Por ejemplo, la compañera supersimétrica del electrón, un fermión de spin-1/2 , es el escalar electrón de spin-0, oselectrón, la compañera supersimétricas del quark top de spin-1/2 es el quark stop de spin-0 , y la compañera supersimétricas del gluon con spin-1 es el gluino con spin-1/2 . Dado que tales compañeras supersimétricas de las partículas conocidas no se han descubierto, la supersimetría está rota, es decir, las compañeras tienen masas más grandes que las partículas conocidas.Las teorías supersimétricas proporcionan un marco coherente para la unificación de las interacciones en una escala de alta energía y para la estabilidad de la escala electrodébil. La supersimetría parece ser esencial para la teoría de cuerdas. En muchos modelos supersimétricos, las partículas supersimétrica más ligera (LSP) es estable (no se desintegra) y es un candidato amateria oscura [ ver aquí y aquí y aquí]. La medición de la anomalía del momento magnético del muón es significativamente incompatible con el modelo estándar [ veraquí ] y puede ser explicada por la supersimetría.
Una característica general de cualquier extensión supersimétrica del Modelo Estándar es la presencia de al menos dos dobletes de Higgs, pero pueden haber más. El más simple modelo supersimétrico es la extensión supersimétrica minima del modelo estándar (MSSM )[ ver aquí]. En el MSSM hay dos dobletes de Higgs, lo que resulta en cinco bosones de Higgs físicos: tres neutro (h, H y A) y dos cargados (H ±). Las masas y acoplamientos en la MSSM dependen de los parámetros del modelo estándar y por lo menos otros dos parámetros, tanβ y un parámetro de masa (por lo general mA). La masa del bosón de Higgs más ligero, mh , es menor que la masa del bosón Z , mZ, en el nivel básico y por lo tanto se pensó que el podría haber sido encontrado en el LEP. Sin embargo, mh se incrementa significativamente por las correcciones debido principalmente a los efectos del quark top y su compañera supersimétrica, el quark stop de spin -0 . Los cálculos en la MSSM y otros modelos supersimetricos obtienen un límite superior para mh de típicamente de alrededor de 130 GeV . Así, el bosón de Higgs más ligero debe ser relativamente liviano, como favorecido por los datos de precisión electrodébil. De hecho, se adapta a los datos de presición electrodébil dentro del restringido modelo mínimo supersimétrico estándar (CMSSM) dando [ ver aquí ]
mh=110-10+8(exp)±3(theor)GeV.
En el límite de desacoplamiento, una mA2≫mZ2, el más ligero bosón de Higgs neutral h se acoplade la misma manera como el bosón de Higgs del modelo estándar. Las, H, A, y H± son mucho más pesadas y casi degeneradas.
Búsquedas en colisionadores electrón-positrón.
La búsqueda directa del bosón de Higgs por el modelo estándar se llevó a cabo en el colisionador electrón-positrón LEP, corriendo la energía del centro de masas de 91 a 209 GeV, hasta finales del 2000,el último año del programa LEP. Los cuatro experimentos del LEP fueron ALEPH [ ver aquí, aquí y aquí ], DELPHI [ver aquí, aquí y aquí], L3 [ ver aquí, aquí y aquí], y OPAL [ ver aquí ]. En los colisionadores de electrones- positrones el bosón de Higgs sería producido en asociación con un bosón Z mediante: e+e-→HZ (esto es, una alta energía de colisión entre un electrón y un positrón crearía un Higgs además de un bosón Z ). Como los electrones y positrones son partículas fundamentales, la colisión hace uso de su energía completa.
Los bosones Higgs y Z se buscaron mediante la reconstrucción de sus productos de desintegración. En las energías del LEP, el límite cinemático de la masa del bosón de Higgs es de alrededor de 115 GeV, por lo que la desintegración dominante del Higgs sería en un par de quarks b, con pequeñas fracciones de pares de leptones tau, pares de W (una W es virtual, es decir, su masa no es igual a la masa en reposo del bosón W ), o pares de gluones. Una limitación importante fue la reconstrucción de la masa del acompañante del bosón Z a través de sus productos de desintegración, y la identificación de quarks b también se utilizó. La configuración del evento buscado fueron los cuatro chorro del estado final (H→bb-, Z→ qq-), la energía faltante en el estado final (H→bb-,Z→vv- ), el estado final leptónico (H→bb-, Z→e+e- o H→bb-, Z→μ+μ-), y el estado final del lepton tau (H→bb-, Z→τ+τ- o H→τ+τ-, Z→ qq-).
La reconstrucción de estas desintegraciones requiere de una serie de métodos que se han diseñado en los experimentos y usados por otros físicos también. Las partículas cargadas dejan rastros en los dispositivos de seguimiento, tales como lascámaras de deriva o detectores de silicio, y sus cantidades de movimiento se pueden medir a partir de cuánto se doblan en un campo magnético.Partículas neutrales tales como los fotones dejan depósitos de energía en los detectores. Los electrones y muones son identificados a través de sus interacciones con el material del detector. Los neutrinos no interaccionan con la cantidad de material en el detector y así se identifican por la energía que falta en la reconstrucción del evento, ya que la energía total es conocida de la energía del centro de masa de la colisión electrón-positrón. Los quarks son reconstruidos a partir de los chorros de partículas que producen, cargadas o neutras, ya que los quarks no pueden observarse directamente.Los chorros producidos por quarks b se distinguen por la prolongada vida útil de los hadrones que contienen los quarks b. Estos hadrones se desintegran a cierta distancia del evento general produciendo puntos a lo largo del haz, y este desplazamiento se puede medir en los dispositivos de seguimiento de precisión.
Durante la búsqueda del bosón de Higgs, los físicos buscan eventos que cumplen los criterios previstos para el bosón de Higgs. Sin embargo, hay eventos de fondo, que son los de otros procesos físicos que imitan las características de la señal de Higgs. Hay un número significativo de eventos de fondo debido a pares de bosones W y pares de bosones Z , que aparecen como eventos de cuatro fermiones debido a sus desintegraciones, y eventos quark-antiquark. Una señal debido a la producción del bosón de Higgs aparecería como un número excesivo de eventos en comparación con estos fondos conocidos del modelo estándar.
No hay evidencia estadísticamente significativa encontrada para el bosón de Higgs, y una combinación de los datos de los cuatro experimentos dieron un límite inferior de mH>114.4 GeVen un nivel de confianza del 95% [ ver aquí ]. Sin embargo, en el último año de ejecución en el LEP con energías del centro de masas sobre 206 GeV, el exceso de algunos eventos se observaron que fueron consistentes con el fondo además de un bosón de Higgs de masa de alrededor de 115 GeV [ ver aquí,aquí, aquí y aquí]. Los experimentos requerían una prórroga del programa del LEP durante seis meses, pero la petición fue denegada porque retrasaría la construcción del LHC, que fue construido en el mismo túnel que el LEP.
Los cuatro experimentos del LEP también buscaron bosones de Higgs neutros como fue predicho por el MSSM. El número de eventos producidos y desintegraciones de Higgs en el MSSM están determinados por los parámetros del particular modelo MSSM , por lo que la interpretación de la busqueda de resultados depende de estos parámetros. El más ligero bosón de Higgs h normalmente se desintegra en un par de quarks b o en un par de leptones tau, y los mecanismos de producción principal son e+e-→hZ y e+e-→hA, por lo que busqueda del modelo estándar del bosón de Higgs puede ser interpretada dentro del MSSM. Las búsquedas de los cuatro experimentos del LEP se combinaron para dar los límites de mh y mA, de alrededor de 93 GeV en el nivel de confianza del 95% sobre la mayor parte del espacio de parámetros del MSSM [ ver aquí]. El límite de mh se acerca gradualmente a la del modelo estándar del Higgs en el límite de desacoplamiento. En resumen, no hay evidencia estadísticamente significativa obtenida para un bosón de Higgs en el LEP.
Búsquedas en colisionadores de hadrones.
Los planes eran que la búsqueda del bosón de Higgs tuviera lugar en el Super Colisionador Superconductor (SSC), un colisionador protón-protón de 40 -TeV (un TeV es igual a 1000 GeV)- que había comenzado su construcción en Texas, pero fue cancelada en 1993. Sin embargo, después del LEP la búsqueda del bosón de Higgs se trasladó a Fermilab cuando un colisionador actualizado y experimentos comenzaron la toma de datos. En colisionadores protón-protón o protón-antiprotón, a diferencia de los colisionadores electrón-positrón, las partículas que chocan no son fundamentales. Los protones (antiprotones) están formados por quarks (antiquarks) y gluones, así que las colisiones involucran a los quarks con quarks (antiquarks) o gluones, o gluones con gluones. Las energías de los quarks o los gluones dentro de los protones o antiprotones varian como funciones cayendo pronunciadamente de la fracción de la energía total del protón y antiprotón. Por lo tanto la energía efectiva del centro de masa de la colisión es en general mucho menor que la de los protones y antiprotones colisionando y varía en un amplio rango.La energía transversal a la dirección del rayo aproximadamente se equilibra ya que los quarks y los gluones viajan en la misma dirección que el protón o antiprotón.
Hasta la fecha, la búsqueda del modelo estándar del bosón de Higgs se había realizado en el Tevatron del Fermilab un colisionador protón-antiprotón con una energía del centro de masas de 1.96 TeV en los experimentos CDF [ ver aquí ] y D0 [ ver aquí ]. El mecanismo de producción dominante de los bosones de Higgs en el Tevatron sería a través de la interacción de un gluón en un protón con un gluón en un antiprotón (fusión gluon-gluon). El bosón de Higgs también puede ser producido en asociación con un bosón W o Z a través de la interacción de un quark en un protón con un antiquark en un antiprotón (similar a la producción de HZ en un colisionador electrón-positrón).
Con los datos acumulados hasta el momento, los experimentos del Tevatron son sensibles sólo a la alta masa del bosón de Higgs que se desintegra en parejas de bosones W. Las búsquedas de bosones de Higgs de baja masa son más difíciles y requieren más datos-hay grandes fondos que enmascaran las pruebas de un Higgs de baja masa desintegrándose en un par de quarks b o en un par de leptones tau. Con el fin de controlar estos fondos, los investigadores buscan al Higgs de baja masa en asociación con un boson W o Z, los cuales reducen el número de posibles eventos de Higgs. Además el bosón de Higgs de baja masa debe ser identificado mediante su reconstrucción desde un par de chorros de quarks-b. Todavía hay un gran número de eventos de fondo, incluso con el requisito de identificación de un acompañante W o Z, y el pico de la masa del par de quarks b debe estar bien definido a fin de observarlo por encima del fondo.
Para buscar un Higgs que se desintegra en un par de W, la posterior desintegración de la W en un lepton (e, μ, o τ) y un neutrino es usada. La firma para el bosón de Higgs son por lo tanto eventos con dos electrones de alta energía con cargas opuestas, o dos muones con carga opuesta, o un electrón y un muón con carga opuesta, más una gran energía transversal faltante debido a las dos neutrinos, que no son detectados. (El tau contribuye a través de su desintegración en un electrón o un muón.) El fondo principal se debe a la producción electromagnética de un par de leptones con carga opuesta, cuando una aniquilación quark-antiquark se produce (el proceso Drell-Yan), la cual es suprimida por el requerimiento de gran falta de energía transversal. Otros fondos se deben a WW, ZZ, WZ, y la producción de pares de quark top con posterior desintegración en leptones. Ambos experimentos comparan el número de eventos observados con el número de eventos de fondo esperados, además de una posible señal de un boson de Higgs del modelo estandar de asumida masa producida a la tasa prevista en el modelo estándar. Ellos utilizan métodos estadísticos para determinar los límites superiores (en el nivel de confianza del 95%) sobre la posible tasa de producción para el bosón de Higgs en comparación con la predicción del modelo estándar. Ni el experimento por sí mismo puede establecer un nivel de confianza del 95% de límite superior por debajo de la predicción del modelo estándar (exclusión), pero los resultados combinados de los dos experimentos excluyen un bosón de Higgs del modelo estándar de masa entre 160 y 170 GeV [ ver aquí ].El descubrimiento de un bosón de Higgs con masa en la región de 115 a 120 GeV por el Tevatron es poco probable [ ver aquí ].
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que toma datos de las colisiones protón-protón y tendrá en última instancia, una energía del centro de masa, de 14 TeV, será sensible al completo rango de masa del bosón de Higgs del modelo estándar. La busqueda del bosón de Higgs comenzó en los detectores de los experimento ATLAS [ ver aquí ] y Compact Muon Solenoid (CMS) [ver aquí ]. Los mecanismos de producción más importante para el bosón de Higgs en el LHC son similares a los que en el Tevatron. La desintegración del Higgs en pares deW o Z se utilizará para la región de alta masa. Para un bosón de Higg de baja masa, la desintegración en pares de quarks b o leptones τ domina, sin embargo, los fondos de los ordinarios quarks y los gluones se espera que sean demasiado grandes en el LHC para que estos modos de desintegración sean posible en una búsqueda del Higgs. Por lo tanto la búsqueda del Higgs de baja masa dependerá de la desintegración en dos fotones, con una fracción de desintegración de tan sólo 0. 002. Todavía hay considerables fondos en los canales de dos fotones, debido a pares de fotones reales producidos en los procesos del modelo estándar y chorros identificados erróneamente como fotones, por lo que el bosón de Higgs será visto como un pequeño pico en la parte superior de un gran fondo ver [aquí y aquí ], la reconstrucción exacta de los fotones en el detector es necesaria para la mejor definición del pico.
Encontrar un relativamente ligero bosón de Higgs (lo que parece probable a juzgar por los ajustes a los datos de precisión electrodébil) en el LHC será difícil y requerirá-en el lenguaje de los físicos de alta energía-varios fb-1( femto-barn inverso)de luminosidad integrada [ ver aquí yaquí], como se muestra en la figura. 3.
figura 3:el gráfico muestra la luminosidad requerida para descubrir el bosón de Higgs del modelo estándar en el LHC como una función de la masa de Higgs.De dos a tres años de recolección de datos se requieren en el LHC trabajando a full energía para la observación del bosón de Higgs.Crédito.J.-J. Blaising et al. “Potential LHC Contributions to Europe’s Future Strategy at the High-Energy Frontier.
En este contexto, la luminosidad es una medida de la tasa de colisión de los dos haces, y la luminosidad integrada del número de colisiones observadas. Una fb-1 de luminosidad integrada corresponde a la producción de un evento para un proceso con una sección eficaz teórica de 1 fb y es por lo tanto una medida de la cantidad de datos que necesitan ser adquiridos. En términos prácticos, esto significa que dos o tres años de toma de datos después de que el LHC comienze a funcionar a toda su energía (14 TeV)se requieren, para la observación del bosón de Higgs. Es posible que un bosón de Higgs de masa 115 GeV, justo por encima del límite del LEP, será encontrado. Si este Higgs es el más ligero bosón de Higgs del MSSM, entonces es posible que la supersimetría se descubrirá primero, dado que los compañeros supersimétricos de los quarks y gluones, los squarks y gluinos, podrían producirse copiosamente. Esto será realmente emocionante!.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v2/106
