Los mediadores de la fuerza débil los bosones W y Z -son más o menos 100 veces más masivos que el protón, mientras que el fotón, el cual media la fuerza electromagnética, no tiene masa. Con base en los principios de simetría, uno habría esperado que los bosones W , Z y el fotón (llamados colectivamente bosones gauge) serían todos sin masa. Con el fin de generar la ruptura de la simetría requerida, se debe inventar un conjunto particular de nuevas partículas e interacciones, lo que finalmente proporciona una explicación del origen de la masa de las partículas elementales. La forma más sencilla de hacer esto, y la cual se incorpora en el modelo estándar de física de partículas, predice la existencia de una partícula llamada bosón de Higgs . Las interacciones del bosón de Higgs con los quarks, leptones y bosones gauge del modelo estándar es lo único que predice la teoría, pero la masa del bosón de Higgs es un parámetro libre que sólo se puede determinar mediante experimentos [ ver aquí y aquí].
Una de las misiones más importantes del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el de determinar el origen de la masa al descubrir el bosón de Higgs según lo previsto por el modelo estándar (o, si el Higgs no se encuentra, tal vez por el descubrimiento de fenómenos alternativos que se pueden atribuir al mecanismo de ruptura de simetría). Tres artículos aparecen ahora en Physical Review Letters, dos de la colaboración ATLAS [ ver aquí y aquí] y uno de la colaboración CMS [ ver aquí], informan de la búsqueda del bosón de Higgs entre los restos de las colisiones de alta energía protón-protón en el LHC. Los resultados de estas búsquedas, y varios otros siendo publicados en otro lugar [ ver aquí y aquí ], se anunciaron en diciembre del 2011. En conjunto, han demostrado que el bosón de Higgs del modelo estándar, "si existe", debe estar en un estrecho rango de masas en torno 126 giga-electrón-voltios .Por otra parte, un exceso de acontecimientos en torno a este valor de masa ofrece una tentadora pista de que los experimentadores podrían estar a punto de descubrir la partícula largamente buscada.
A pesar de que el LHC se ha hecho cargo de la búsqueda del bosón de Higgs, lo hace con el conocimiento, acumulado a partir de experimentos anteriores, los cuales señalan donde es probable-y es poco probable que la masa del Higgs pudiera estar. A partir de los experimentos en el acelerador LEP del CERN [ ver aquí ], el cuál cerró en el año 2000, se sabe que la masa del bosón de Higgs del modelo estándar no puede ser inferior a 114 Gev, mientras que los datos posteriores del Tevatron del Fermilab [ ver aquí ], el cual cerró en el 2011, excluye una masa del bosón de Higgs entre los 156 y 177 Gev. (Como es común en la física de partículas, la masa se expresa en términos de su equivalente en energía). Incluso sin un descubrimiento directo, los datos desde el LEP y Tevatron han sido capaces de imponer restricciones adicionales sobre los valores permitidos de la masa del Higgs. Los resultados de las mediciones realizadas en el LEP y Tevatron pueden ser comparados con las predicciones teóricas. Sobre la base de un análisis estadístico de estos datos en el marco del modelo estándar (el cual depende indirectamente de la desconocida masa del Higgs) la masa del Higgs no puede ser más grande que 169 Gev [ver aquí ]. La combinación de las limitaciones en la búsqueda directa de Higgs citadas anteriormente con las restricciones indirectas implica que el modelo estándar es viable si y sólo si, la masa del bosón de Higgs del modelo estándar se encuentra entre 114 y 156 Gev [ ver aqui ].
Si el bosón de Higgs se produce en una colisión de alta energía, debería, según la teoría, ser extremadamente inestable y de inmediato decaer en partículas más ligeras elementales. El modelo estándar predice las probabilidades relativas de un bosón de Higgs desintegrándose en un conjunto particular de partículas como estado final, como se muestra en la fig.(ver abajo) , y es un exceso de estas partículas respecto al fondo de eventos( los numerosos procesos diferentes que pueden producir el mismo estado final de partículas sin la intervención de un bosón de Higgs), lo que los físicos de partículas procuran medir.
fig 1.¿Dónde buscar el bosón de Higgs?El modelo estándar predice la probabilidad(o fracción de desintegración "branching ratio" denotada BR) que un bosón de Higgs decaerá en un particular conjunto de partículas finales.Como un ejemplo la probabilidad de que un bosón de Higgs se desintegre en 2 fotones(línea magenta) es mucho más baja que la probabilidad de que se desintegre en un quark bottom y un antiquark bottom (línea negra) pero el fondo para el estado final de 2 fotones es significativamente menos severo que para el estado final de quarks bottoms así este es un mejor lugar para buscar al bosón de Higgs .La “fracciones de desintegración” para otros estados finales empleados en la búsqueda del bosón de Higgs son también mostradas, el espesor de las líneas denota la incertidumbre teórica.Crédito.A. Denner
En el 2011, el LHC colisionó dos haces de protones en 7 tera-electrón-voltios. En promedio, más de 100 millones de colisiones por segundo se llevaron a cabo, pero la mayoría de estas colisiones fueron"convencionales", porque sólo involucraron las más comunes partículas elementales. Si el modelo estándar es correcto, entonces en raras ocasiones, un bosón de Higgs debería haberse producido. Suponiendo que la masa del Higgs está en el rango de masa esperado,alrededor de 75000 Bosones de Higgs se debieron de producir en los detectores ATLAS y CMS en el 2011.
Como se muestra en la fig. 1, para masas del Higgs por debajo de 135 Gev, La mayoría de estos bosones de Higgs deberían decaer en un par de quarks bottom . Sin embargo, debido a la gran cantidad de quarks bottom producidos cada segundo en el LHC, el fondo del quark bottom abrumaría la señal pequeña asociada a un bosón de Higgs. En cambio, el raro caso en el cual el bosón de Higgs decae en dos fotones, con una probabilidad de aproximadamente de uno en quinientos (la línea de color magenta en la figura. 1), es en realidad un mejor lugar para buscar el bosón de Higgs. En los datos del LHC del 2011, menos de 150 Bosones de Higgs deberían haber decaído en pares de fotones, pero aunque hay un fondo de eventos de dos fotones, es estadísticamente manejable. Lo qué ATLAS ha encontrado [ ver aquí] es un número potencialmente significativo de eventos de dos fotones, cuya masa invariante se agrupa en torno a 126 Gev, Por encima del fondo esperado. (Aunque cada fotón no tiene masa,a la pareja de dos fotones en conjunto se les puede asignar un valor de masa, llamada masa invariante, que depende de las propiedades cinemáticas de la pareja.) Si los dos fotones se originaron a partir de una desintegración del bosón de Higgs, la masa invariante puede ser identificada con la masa del bosón de Higgs en descomposición, es decir, una masa del Higgs de 126 Gev.
Otra rara pero llamativa desintegración del Higgs (que corresponde a la curva azul claro en la figura 1. Etiquetada ZZ) Es una que resulta en un bosón Z y un par de electrones o muones, colectivamente llamados leptones. Posteriormente, el bosón Z también puede descomponerse en un par de leptones, en cuyo caso el resultado final de la desintegración del Higgs es un evento con cuatro leptones. Una vez más, hay un fondo de más procesos convencionales, pero este fondo también es manejable. En su búsqueda de un estado final de cuatro leptones, el CMS fue capaz de excluir la existencia de un bosón de Higgs sobre un rango considerable de masas [ ver aquí ]. De hecho, dentro del rango de masas preferido del Higgs del modelo estándar,el CMS descartó masas del bosón de Higgs por encima de 134 Gev. Sin embargo,el CMS también identificó excesos en eventos de cuatro leptones en las regiones de masa invariante de cuatro leptones de alrededor de 119 Gev ,126 Gev y 320 Gev . Aunque ninguna de las tres observaciones es estadísticamente significativa en sí misma, otras medidas experimentales proporcionan alguna orientación: El exceso en 320 Gev es probablemente una fluctuación estadística ordinaria, mientras que el exceso en 126 Gev es más sorprendente a la luz de los datos de dos fotones del ATLAS[ ver aquí ]. De hecho, un bosón de Higgs de 126 Gev se espera que produzca unos pocos eventos de cuatro leptones por encima del fondo predicho, que es lo que el CMS observó . El exceso en 119 Gev es sin embargo, difícil de interpretar con el conjunto de datos actuales.
Así que, ¿dónde nos encontramos en este momento en el tiempo? Sea o no que los diversos excesos por encima del fondo que se han descrito anteriormente llegaran a ser fluctuaciones estadísticas, las colaboraciones del ATLAS y CMS han ya estrechado significativamente el rango de masas permitido para el bosón de Higgs del modelo estándar. Estos resultados, junto con la búsqueda del ATLAS y CMS [ ver aquí y aquí y aquí ] de los bosones de Higgs decayendo en otros estados finales( por ejemplo, el ATLAS examinó la desintegración en un par de bosones W [ ver aquí ] ), y la indirecta masa del Higgs restringida de los experimentos anteriores, implican que el bosón de Higgs del modelo estándar (si existe) debe tener una masa que se encuentra entre 115.5 Gev y 127 Gev [ ver aquí]. Por otra parte, es tentador atribuir el pequeño exceso de eventos con masa invariante de 126 Gev a un posible bosón de Higgs de la misma masa.
Sin embargo, este intrigante indicio no es (todavía) una observación del bosón de Higgs, y ciertamente no es un descubrimiento del bosón de Higgs. La evidencia estadística para el bosón de Higgs no es lo suficientemente convincente, aunque los datos del LHC que se recogerán en el año 2012 podrían ser decisivos, ya que el colisionador alcanzará los 8 Tev y las muestras de datos se espera que sean 3 veces mayor que los obtenidos en el 2011. Una extrapolación de la esperada serie de datos del 2012 sugiere que si el bosón de Higgs del modelo estándar existe en el rango de masa esperado, entonces , una señal estadísticamente significativa (de 5 desviaciones estándar o más) surgirán. Si esto sucede, podemos reclamar el descubrimiento del bosón de Higgs? En rigor, la respuesta es no. Si la señal enfrenta (dentro de la incertidumbre estadística) la que se espera, entonces todo lo que puede decirse es que la señal es consistente con la del bosón de Higgs del modelo estándar, pero datos adicionales se requerirán para confirmar en detalle que las propiedades de la nueva partícula descubierta coinciden con las propiedades teóricamente esperadas del bosón de Higgs del modelo estándar. Si la señal se desvía significativamente de la esperada, o si la significación estadística de la señal se reduce en gran medida después de analizar los datos del 2012 del LHC, entonces será posible excluir la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar en toda su gama de masas permitida, en cuyo caso el más simple mecanismo de ruptura de la simetría empleado por el modelo estándar tendrá que ser sustituido por más complicadas dinámicas de ruptura de la simetría. Cualquiera que sea la naturaleza de la ruta elegida en el 2012 es seguro de que será un año crucial en la física de partículas.
artículo del físico Howard E. Haber para physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v5/32
