Partículas
Fundamentales
Cualquier explicación
sobre las partículas (sub-atómicas), no puede estar disociada de los fotones, su
cualidad onda-partícula, absorción-emisión, energía-masa, la creación de pares,
los campos, etc.
Tampoco me parece
sensato, esbozar una teoría por simple especulación, sino como proceso deductivo
de la observación de los fenómenos físicos.
1° El fotón es una onda, no necesita de un medio material para propagarse, se propaga por el espacio vacío, así como una onda de sonido puede propagarse por el aire (u otro material). Si la onda del sonido es una contracción-expansión del medio en que se propaga, podríamos decir que el fotón es una contracción-expansión del espacio (una deformación del mismísimo espacio).
2° “Ondas electromagnéticas”
La idea de ondas
electromagnéticas se basa en un concepto de Maxwell sobre las ondas
radiofónicas. Pero el concepto cuántico de fotón, no es compatible con el de
“onda electromagnética”: http://teoris-tiempo-espacio.blogspot.com/
Todas las
partículas tienen las características eléctrica y magnética, como gravitatoria
y de onda (fotones, electrones, protones). No por eso decimos de los electrones
una “onda electromagnéticagravitatoria”.
La idea de campo
“electromagnético”, es la idea de Maxwell del “éter”, y de la luz como onda
continua. No existe tal campo “electromagnético”, los campos son eléctrico,
gravitacional, y magnético. Estos son todos, y no hay más que estos, son todos,
deformación del espacio, de forma diferente. https://sites.google.com/site/teoriatiempoespacio/el-eter
Razón de la
partícula: Esta onda (fotón) por
causa de la contracción del tiempo (velocidad “c”), no se expande, como las
olitas en un estanque cuando se tira una piedra, donde las olas son más pequeñas
en la medida que se alejan de su origen; sino que se mantiene como en su origen
(esta es la cualidad de partícula), como si fuese una “burbuja”, expandida o
contraída, en cada parte, positiva-negativa de la onda. Cualidad que llamamos
partícula (paquete de energía, "cuanto"). Por tratarse de una onda que no se
dispersa, el fotón es un tren de onda, o una partícula compuesta de dos partes,
de una parte positiva y una negativa. No es que los fotones son más pequeños
(como las olitas), cuando se alejan de la
emisión,
sino menos cantidad de partículas (fotones). 
Frente a un campo
magnético, el fotón varía su velocidad (relativa), y en el caso extremo, se
descompone en un par de antipartículas. Desconocer la relación entre el fotón y
las partículas, es negarse a ver la realidad. Pensar que son cosa esencialmente
distinta, es simple prejuicio.
En la creación de pares,
estas partes se separan, y las entendemos como cargas, positivo-negativa
(positrón-electrón o protón-antiprotón).
Los fotones se pueden
descomponer (no transformarse) en una carga positiva y una negativa (expansión y
contracción del espacio) en la creación de pares, lo que conocemos como creación
de antipartículas. Que son las partículas fundamentales de la materia. La
creación de un electrón no diferente de la de un protón, es también un fotón que
se descompone, esto hace pensar que no difieren en nada sino en su
masa (energía, lugar en la cuarta dimensión), la idea de que los protones están
compuesto por otras partículas (quarks), no es por su creación, ni nada que
tenga que ver con física, sino por una especulación matemática de quienes no
entienden el funcionamiento (mecánica) del universo. Lamentablemente se ha
popularizado el "sin fin" de partículas, que es una fantasía sin sentido
real. http://credepares.blogspot.com.ar/
Es interesante
destacar: El EFECTO
SAGNAC. “En
1904 Michelson ya propuso la idea de usar un aparato similar para medir la
rotación de la Tierra sombre su eje, pero no se hizo hasta 1925 por considerare
innecesario. De todos modos en 1925 lo realizó con el objetivo principal de
refutar la teoría balística de la luz (en que la velocidad de la luz dependería
de la velocidad del emisor), y también refutar la teoría de un éter totalmente
arrastrado… que confirmaba la velocidad de giro de la Tierra sobre sí misma y
por lo tanto refutaba las dos teorías… (Los “relativistas” de la época lo
tomaron como unas prueba de la teoría de la relatividad, pero Michelson se dio
cuenta y dijo que era tanto prueba de la relatividad como de un éter
estacionario)… la experiencia de Michelson fue diseñada para detectar movimientos
rectilíneos” http://www.relatividad.org/bhole/sagnac.html
Destaco:
"ERA TANTO PRUEBA DE LA RELATIVIDAD COMO DE UN ÉTER
ESTACIONARIO".
Esta es
una de las tantas confirmaciones de que la expansión (del universo), no es de
pelotitas ni galaxias, sino de ondas (medios fotones) en la cuarta dimensión en
un "éter" estático; que conocemos como espacio, donde el fotón
(contracción-expansión del espacio), es una onda espacio, que Michelson lo llama
"éter". Donde lo que conocemos como tiempo relativo, es ese devenir de estas
ondas en la cuarta dimensión. https://sites.google.com/site/teoriatiempoespacio/el-eter
Así como un fotón no
tiene un cuerpo compacto, tampoco las partículas (electrón, portón, etc.). Se pensaba que la partícula, tenía forma y una
ubicación determinada. Las experiencias en el laboratorio comprueban
que las
partículas no tienen forma,
tienen un estado dinámico, existe una "dualidad onda - partícula". La onda
relacionada con la materia, es la onda de materia. En ningún momento la partícula, es una cosa compacta (ni una pelotita), siempre es una onda, que no se expande. En la comparación con la ola, sería como un "montón" o un "pozo" de agua, con una dirección, lo que conocemos como ecuación de Schrödinger.
En ningún momento la
partícula, es una cosa compacta (ni una pelotita), siempre es una onda, la ola
sobre el agua, no es un cuerpo que se mueve sobre el agua, no es un montón de
agua que viene (aunque parece), sino una deformación del agua. Así la partícula,
no es un montón de algo (no es algo qeu se mueve), las partículas no se mueven,
sino una deformación del espacio.
¿Cuál es el tamaño de
una partícula?
El tamaño de una
partícula, al igual que el del fotón, es inverso a su energía (contracción de
Lorentz), en el caso del fotón, es una partícula compleja (dos partículas,
longitud de onda).
En el caso del electrón,
es su orbital; el tamaño de un electrón
libre, es el mismo que el orbital (del hidrógeno, con igual energía), pero el
electrón libre no gira en torno a nada, al igual que el que está en el orbital.
Sabemos que es más pequeño, en la medida que tiene más energía.
¿Por qué los protones
habrían de no seguir la misma regla? ¿Cómo es posible que los protones sean
todos iguales (igual masa, modelo de Bohr)?
Esto significa que
amontonar partículas como el modelo de Bohr, no tiene rigurosidad científica,
sino es una contradicción evidente.
En los niveles
energéticos, no hay lugar para ellos (en el átomo de Bohr), porque la presencia
del electrón, es en todo el espacio que ocupa el orbital, no la corteza
(Schrödinger).
¿Qué es lo que hace que
el fotón se “detenga”? (aparentemente), es el campo magnético o el campo
eléctrico (indudablemente).
¿Qué es el campo
magnético? ¿Cómo es capaz de hacer semejante cosa sobre el fotón?
El magnetismo depende
del “espín magnético”, propiedad de toda partícula.
¿Qué es el espín?
La palabra viene del inglés (spin, giro),
se trata de un “medio giro”, o efecto de giro, que es propiedad intrínseca de
toda onda.
Ej.
Pensemos en un líquido, cuando una onda se propaga, si la cortamos
transversalmente (la ola), en la superficie, es como si tuviese un medio
remolino retrógrado, a la dirección de la ola; y si miramos la parte baja de la
ola, vemos lo contrario (tomando como referencia, la onda, no el líquido, porque
el líquido está quieto).
Desde
la ola, el líquido sube, se mueve hacia tras y luego baja, moviéndose contra el
sentido de la ola (y, baja y luego sube, en la otra parte; la parte baja de la
ola). Toda onda tiene intrínsecamente en sí un movimiento retrógrado a la
dirección de la onda, en su parte positiva; y lo contrario en su parte
negativa.
Si al corte de la ola, la
hacemos moverse hacia nosotros; un costado sube y el otro costado baja. Esto
hace que al trasladarse, en forma perpendicular, giren. Igualmente un conductor
de electrones, presenta esa característica de giro en su campo
magnético.
Se pensaba que
la partícula, tenía forma y una ubicación determinada. Las experiencias en el
laboratorio comprueban que las
partículas no tienen forma, tienen un
estado dinámico, existe una "dualidad onda - partícula". La onda relacionada con
la materia, es la onda de materia.
El prejuicio del
átomo de Bohr, hace girar al electrón, pero esto no tiene otro fundamento que el
prejuicio. El
tamaño de un electrón libre, es el mismo que el orbital (del hidrógeno,
con igual energía), pero el electrón libre no gira en torno a nada, al igual que
el que está en el orbital.
Nota 1
El magnetismo es cuando el espacio se desplaza, causado por el espín o momento de las partículas (giro), quedando el espacio “comprimido” de un lado y “enrarecido” (expandido) del otro. El espacio en física se deforma por los campos (magnético, eléctrico o gravitacional, que son perpendiculares entre sí). A uno llamamos norte y al otro sur. Para el observador poco informado parece que esta explicación debiera atraer o repeler a toda la materia, pero al igual que las cargas eléctricas, el hecho de haber de un lado “compresión” o “expansión” del espacio, no significa que se comporta como el aire o un gas, sino que cada una entre sí se repele. Normalmente lo comparo con las olas del mar (o un líquido), es fácil entender que una depresión atrae el pico de la ola, y entre los picos hay repulsión. Pero el espacio (tetradimensional), no tiene arriba y abajo, a la parte baja de la ola, tendríamos que mirarla desde abajo como pico de la ola también. Esto (el magnetismo) puede ser causado por el ordenado paso de electrones (corriente eléctrica) (ley de la mano derecha, o izquierda, ley de Lorentz), donde los electrones empujan el espacio hacia un lado, perpendicular a su dirección, caso de un conductor de corriente continua, donde todos los momentos “empujan” en una dirección. O en aquellos materiales, en cuyas moléculas quedan ordenados los electrones.
Por mayor información:https://sites.google.com/site/teoriatiempoespacio/el-magnetismo
Nota
2
Recordemos que la
gravedad es una aceleración (no una fuerza), donde la curvatura del espacio,
dada la velocidad en la cuarta dimensión ("tiempo"), daba la aceleración, que le
otorgaba a la masa una fuerza (causado por la inercia del cambio de dirección,
llamamos peso). La curva es de la tridimensión en la cuarta dimensión, así como
un plano puede curvarse en el espacio tridimensional. Y la velocidad es
perpendicular.
En el caso de los campos
magnético y eléctrico, son curvaturas en la tridimensión, que la velocidad en la
dimensión tiempo (flecha del tiempo, “en rojo” en la ilustración), hace la
aceleración (campo magnético, “fuerza”).
En la comparación con
las olas, el electrón sería el surfista, y el magnetismo sería el cuesta abajo
de la ola, pero el efecto no es producido por la aceleración de la gravedad
(surfista-ola), sino por la velocidad de la flecha del
tiempo.
Recordemos que en la
cuarta dimensión ("tiempo") tenemos dos cosas diferentes: A) La energía, el
lugar en la disposición en esa dimensión. B) El segundo o unidad de tiempo, que
es el espacio recorrido en esa dirección a la velocidad
“c”.
Por lo
tanto, el espacio es curvo, hasta en lo más íntimo de las partículas, ya que
desde el fotón que es una onda (no puede haber una onda sin curvatura,
deformación del medio),
pasando por las cargas
que serían "medios fotones", y el magnetismo que también es una deformación del
espacio. La idea de un espacio recto, es para poder hacer una mecánica
(matemática), pero esa no es la realidad.
En el caso de la
creación de pares, en el magnetismo, no se trata de atracción sino de dirección
de las partículas. O mejor dicho, desde la relatividad general en adelante, no
debiéramos hablar de atracción-repulsión, sino de dirección de las partículas
según la "flecha del tiempo" (velocidad "c" en la cuarta dimensión), que no es
fácil para quien tiene poca imaginación espacial. Así en el ejemplo de la ola
del mar, tenemos que pensar como una aceleración en ambos sentidos
(arriba-abajo, abajo-arriba), porque dependiendo de la curva, será la dirección,
que nos engaña como “atracción”. Igualmente que la gravedad, que físicamente no
tiene nada que ver con atracción, sino con dirección de las partículas o
cuerpos. La dirección, nos engaña como aceleración.
No aceptar este
razonamiento, es no entender el espacio tridimensional relativo a la cuarta
dimensión,
la velocidad de las partículas como medios fotones en la cuarta
dimensión y
la relatividad general. Para continuar con una interminable lista de fuerzas
inexplicables, haciendo de la física un misterio.
RESUMIENDO: Llegamos a
que, el fotón es una contracción-expansión del espacio, que se parte en dos
partículas que llamamos cargas (electrón-positrón, protón-antiprotón). Donde esa
parte expansiva o contraída del espacio, se dirige con otro sentido, adquiriendo
ahora, además del impuso tridimensional, el sentido o impuso en la dimensión
tiempo. No se trata de que pierda
el impulso tridimensional, ni que gane energía, sino que
se retrasa en la dimensión tiempo (otro lugar en la cuarta dimensión). Así
una onda pequeña (gran energía), produce partículas de mayor tamaño (mayor
longitud de onda, menor energía), otro lugar en la cuarta dimensión. Pero
manteniendo la relación 1/c.
La energía (masa) y la
cuarta dimensión.
Ej. Si tengo un objeto a 1000 m de altura, tiene una masa, si lo dejo
caer, tendrá una velocidad, y aumentará la masa conforme a la energía que va
adquiriendo (cantidad de movimiento, E=mc2). Pero si ese mismo cuerpo cayese al
Sol, su masa sería aun mayor. Si cayese a un cuerpo muy masivo sería todavía
mayor. La pregunta es: ¿Dónde es el fondo del universo?La solución radica en la
relatividad general (no en la física clásica), donde la energía es el lugar en
la cuarta dimensión. Esto ya se sabe desde Minkowski, pero que los “neoclásicos”
(matemáticos disfrazados de físicos), siguen buscando el bosón de
Higgs.
Si no lo puedes entender piensa en la Luna girando alrededor de la
Tierra, la gravedad es como un embudo (cuando quitamos una dimensión de las
cuatro), donde la tridimensión se curva, en los dibujitos del espacio tiempo
curvo, el plano representa la tridimensión y arriba-abajo sería la cuarta
dimensión, si la Luna se acercara a la Tierra, ganaría energía y bajaría en el
embudo, estaría en otro nivel de la cuarta dimensión.
De donde la energía es
una cuestión de ubicación en el espacio dimensión tiempo, si nos movemos al
pasado creamos energía y si al futuro la perdemos.
Así un electrón
dependiendo de la energía (masa) que tiene, será su tamaño y el lugar en la
cuarta dimensión.
La suposición que el protón tiene otra composición que
el electrón, no se fundamenta en la observación, sino en la fantasía de la
incomprensión de su origen. Así el protón, no es esencialmente diferente del
electrón. Sino en la masa (energía, lugar en la cuarta dimensión) y cualidad de
carga (antipartícula).
Aunque la atracción
existe (antipartícula, carga), no pueden juntarse, por causa de la separación en
la cuarta dimensión. Así, para que un electrón impacte con un protón
(aniquilándose), debiéramos acelerarlo hasta tener la masa del protón (de
acuerdo a E=mc2, como cantidad de movimiento, no como energía
cinética). https://sites.google.com/site/teoriatiempoespacio/el-electron
Pero además la cuarta
dimensión, relativo a la energía, tiene niveles de “estabilidad”, o umbrales
mínimos de energía. Donde las cargas, aparentan reposo relativo.
Para entender, tenemos
que empezar por el Hidrógeno, que en su forma más simple, tiene un electrón y un
protón. Indudablemente separados en la cuarta dimensión, porque un electrón y un
protón libre, no se aniquilan como un positrón y un electrón. La única
diferencia en su creación (protón –electrón) es la energía (masa), que
corresponde al lugar en la cuarta dimensión.
Llegamos a que, los
niveles estables son el electrón (aparentemente en reposo) y el protón (o sus
antimaterias). Cuyas masas (energía) corresponden a 1 y 1/1830 (protón,
electrón) respectivamente. Y sus tamaños corresponden al inverso de sus
energías.
Todas las partículas sub
atómicas se ubican según su energía (cuarta dimensión), de donde la “atracción”
de cargas, es la organización del átomo, no hay tal "fuerza nuclear" ni tal
"núcleo", que indudablemente no coincide con la observación. El modelo de átomo
de Bohr (concéntrico y tridimensional), no corresponde, porque no es posible la
función onda de Schrödinger de ubicación de la partícula y los niveles
energéticos, esto hace imprescindible un espacio tetradimensional (4
dimensiones), y un átomo no-concéntrico.
De esta manera el
Hidrógeno es una organización de cargas estable, no así el neutrón. El neutrón
libre se descompone, cuando está en estado libre (desarma), en 887 segundos. La
razón es que es estable (dentro del Hidrógeno y no fuera de él), en la medida
que las cargas estables lo mantengan “alineado” en la cuarta
dimensión.
De esta manera y
cumpliendo con la exclusión de Pauli, se puede mantener estable el Deuterio y el
Tritio. Completándose la dimensión con el Helio.
Lo que vemos: La luz
visible rebota en los electrones de baja energía, que corresponden al tamaño
(longitud de onda), de los fotones de luz visible, no así los electrones con
menos energía o mayor energía. Así los electrones interiores (con más energía,
más pequeños) son afectados por los rayos X (menor longitud de onda, más
pequeños), y las partículas con más energía, son afectadas por los rayos gama.
Igualmente los electrones de mayor tamaño muy degradados energéticamente que son
afectados por los infrarrojos.
Por lo tanto,
dependiendo de los fotones que son detenidos, absorbidos, o rechazados, será la
partícula que tiene el átomo (el tamaño de una partícula, es semejante a un
medio fotón, que interactúa con la partícula); no se trata de "inventar
partículas", sino investigar bajo el método de la observación. Donde, si no hay
partículas (en la cuarta dimensión), los fotones pasarán (cuerpos
transparentes), por lo tanto sabiendo con certeza la longitud de onda (de los
fotones), sabremos la energía de las partículas constituyentes del átomo
(Ep = 1/2f.c). Para mayor información: http://luztransparencia.blogspot.com.ar/
La observación
tridimensional nos da la impresión, de que el protón del Hidrógeno, tendría que
estar dentro del electrón (dificultad para imaginar la cuarta dimensión), es como una foto, donde el objeto que está
atrás aparece invisible en el lugar del que está delante. En otras
palabras, pareciera que las partículas están en el mismo lugar tridimensional,
pero no en el espacio de cuatro dimensiones.
Así hasta el Helio, la
organización de las cargas en la cuarta dimensión no presenta
dificultad.
A partir del Litio,
comienza la regla del “octeto”, donde si hay menos de 4 electrones se pierden en
las configuraciones atómico-moleculares. Si hay más de 4, se ganan (cualidad
electro-negativa de los átomos).
¿Cuál
es la explicación de esto?
La
cuarta dimensión tiene capas, con un máximo de ubicación de partículas. Así dos
estables (protón-electrón, como el Hidrógeno) y dos intermedias (neutrones,
estables sólo en conformación, deuterio y tritio). Este es el máximo posible,
que también encontramos la partícula alfa (sin electrones), que ha perdido sus
partículas de poca energía (y las incorpora cuando es detenido).
Luego
aparece la segunda capa, que tiene no una dimensión, sino cuatro. Donde la
conformación más simple es el Litio, que sería como “dos Hidrógenos en serie”
(ver figura).
El
primer “H”: Masa 1, y el segundo: Masa 5 (es la forma más simple del Litio,
Li6); lo cual entendemos que tendrá 4 partículas (mínimo posible
estable): Un electrón con masa despreciable, un protón con masa 1, una carga
negativa (antiprotón) con masa ligeramente superior a 1, y otra partícula con
masa 4. Que es la aparente configuración posible. Aunque podría ser posible que
no exista esa tercera "antipartícula", siendo sólo de tres partículas, en ese
caso sería una con masa despreciable (electrón), un protón (masa 1) y una
tercera carga con masa 5. (Esta última posibilidad parece poco cómoda para
seguir construyendo las posibilidades)
Al
igual que en el caso de la conformación del hidrógeno, no se trata de un
capricho o una hipótesis fantasiosa, sino una necesidad de comprensión de la
realidad observacional.
Esta
realidad nos coloca en posición de que la concepción de suma “algebraica” de
protones y neutrones (aunque parece coincidir), no es la realidad, ya que no se
pueden amontonar partículas del mismo contenido energético en un mismo espacio.
Como sabemos, los electrones tienen distinta masa y energía, entonces cómo
podemos pensar que los protones son todos iguales, o si la emisión de fotones
depende de la energía de la partícula (electrones), cómo podemos pensar que para
los rayos gama hay protones de un único tipo…
Aunque
el modelo de Bohr, puede ser sencillo, crea un concepto completamente erróneo
del átomo, un prejuicio que jamás desaparece. Y quienes lo defienden, para poder
mantener el absurdo, crean una serie de “fuerzas imaginarias”, fantasías
matemáticas, un verdadero lastre de fantasías inexplicables. Una fantasía
intelectual, necesita de otra fantasía intelectual para mantenerla, y así
sucesivamente.
Así
el átomo tiene sus niveles energéticos, que en el segundo nivel corresponde a
cuatro dimensiones.
Ej.
La molécula de agua o la de metano, la representamos: En dos dimensiones
(plano), como una cruz. En tres dimensiones, como un tetraedro.
Pero
el verdadero espacio es de cuatro dimensiones (imposible de representar),
representación esquemática, con dos electrones muy decaído
energéticamente.
Estos
son los únicos electrones, no hay tales electrones interiores aparte de estos,
donde cuando hay más de cuatro tiende a atrapar electrones y cuando son menos de
cuatro, tiende a perderles, la siguiente capa de partículas no son negativas,
sino positivas, y así sucesivamente se alternan con posibilidad de dos
partículas por lugar (al igual que los electrones, nada hace pensar que pueda
ser diferente).
De
esta manera, el átomo es una disposición de cargas alternadas (en la cuarta
dimensión), y explica la desproporción de masa de los átomos complejos.
Ya NO
ES una
igualdad de protones y electrones con algunos neutrones (Bohr); sino una
igualdad de cargas, con diferente masa (energía, cuarta dimensión).
Y nada
hace suponer que el número atómico, coincide con la cantidad de
protones. Esto
trastorna a los prejuiciados clásicos del concepto de Bohr, pero la dificultad,
no amerita seguir con el error.
Lamentablemente
el átomo de Bohr es un error, y no ayuda en la comprensión, sino que todo lo
contrario, confunde al estudiante con un sin fin de contradicciones y fantasías,
que no se corresponden con la realidad. Creando una necesidad de fuerzas
inexplicables y fantasiosas.
No
se trata de remendar esta teoría, sino definidamente rechazarla de
plano.
Igualmente
con la "mecánica cuántica", no existen tales "fuerzas nucleares", ni tales
"quarks", ni el espacio es recto, ni el átomo de Bohr es aplicable a la
realidad, etc. (Todas bases de la "mecánica cuántica").
No
confundamos con la física cuántica (Planck y Einstein), la cuantificación del
fotón, que nada tiene que ver con la fantasía matemática de la "mecánica
cuántica". Que los defensores de la misma, hacen tragar como lo
mismo.
Ahora que estamos en plena resaca del descubrimiento del Higgs en el LHC podemos preguntarnos ¿Qué es el Higgs?. Hay magníficas entradas al respecto en muchos blogs que han tratado de explicar el Higgs y su descubrimiento, valgan como ejemplos:
Este modelo se construye sobre la base de dos ideas:
- Hay cantidades conservadas como la energía, el momento, el número leptónico y bariónico, etc.
- Las interacciones son debidas a la imposición de una cosa que se conoce como simetría gauge. En este blog hemos discutido sobre qué es una teoría gauge de forma visual en esta entrada: Gauge esto, Gauge lo otro… ¿qué es una teoría gauge?
La importancia de esta idea de simetría gauge es enorme y se puede resumir en los siguientes puntos:
La sorpresa viene de dos lados:
El problema es:
¿Hay alguna forma de romper la igualdad entre electromagnetismo e interacción débil de forma que se preserve la simetría gauge y además obtengamos masas de las partículas que sabemos que la tienen?
Sin embargo, al bajar la energía del universo el campo de Higgs rompe la simetría. Una idea pedestre de esto la podéis encontrar aquí:
Y una discusión algo más formal aquí:
La idea es simple:
El Higgs interactúa con las partículas con carga
débil, la carga débil las tienen todas la partículas elementales, leptones,
bosones, quarks, etc. Pero el fotón tiene una carga débil nula.
Cuando el Higgs toma un valor determinado aparecen los bosones de Higgs. Resulta que esto es justamente lo que se necesita para que la simetría gauge siga funcionando. Pero es que además debido a las interacciones del Higgs con las partículas con carga débil no nula estas partículas adquieren masa.
Así que esto soluciona dos problemas. Por un lado la simetría gauge se preserva aunque tengamos partículas con masa. Pero por otro debido a que ahora el bosón W y el Z tienen masa ya no se comportan como el fotón. Así que hemos diferenciado la interacción débil y la interacción electromagnética. Este mecanismo se puede extender a otras partículas.
Hemos de recordar que la física de partículas está formulada en términos de relatividad especial, esta teoría es de un espacio plano donde la gravedad no tiene nada que decir.
El Higgs está en casa, llevamos mucho tiempo esperándolo y como pasa cuando
vuelves a casa después de un largo viaje tenemos muchas preguntas para él que
tendremos que resolver. Estas son unas de las más interesantes para
nosotros:
En este caso ahora tenemos que encontrar la razón
del por qué el Higgs pesa menos de lo que en principio sería razonable. De
hecho, encontrar esta respuesta nos proporcionaría por añadidura la respuesta
del por qué la gravedad es la interacción más débil que conocemos y tan
diferente de las tres interacciones no gravitatorias (electromagnetismo,
interacción débil, interacción fuerte).
Para explicar por qué el Higgs pesa menos (mucho menos de lo esperado) tenemos que recurrir a otros modelos teóricos. Una posible solución a este problema es que existan partículas supersimétricas que aún no han sido vistas en los aceleradores de partículas o la existencia de dimensiones extra, que están en la misma situación experimental.
El espín es una cosa intrínseca de las partículas cuánticas que muchas veces se presenta como un giro alrededor de un eje considerando la partícula como una bolita (este ejemplo es muy malo pero visualmente muy seductor).
El espín puede tener distintos valores, 0
, 1/2 , 1, 3/2 … En el modelo estándar tenemos partículas de espín 1/2, de espín (o
helicidad) 1, etc, pero no teníamos ningún campo fundamental con espín 0. Esto
es lo que se conoce como campo escalar en términos técnicos. La presencia del
Higgs es una prueba de que este tipo de campos existen.
Esto es importante porque muchas teoría dependen de la existencia de campos con espín 0, por ejemplo la teoría de la expansión inflacionaria del universo se basa en la presencia de un campo de espín 0. Además este tipo de campos aparecen en muchas ramas de la física teórica como en la teoría de cuerdas y es bueno saber que este tipo de campos y partículas existen realmente. Aunque esto no prueba la existencia de otros campos con espín nulo como los necesarios para causar la inflación cósmica (expansión acelerada del universo en los primeros instantes) al menos nos motiva para seguir buscando.
Se ve que tenemos entre nosotros una nueva partícula elemental, el bosón de Higgs. Por mucho tiempo se ha hablado de esta partícula, se han dado mil explicaciones divulgativas y las que tienen que venir a partir de ahora. Así que vamos a intentar dar una explicación lo más fácil posible de esto del Higgs.
Ooooohh, esto no es nada bueno porque vemos a nuestro alrededor que los electrones, los muones, los neutrinos, los quarks, tienen masa. Por otro lado tenemos partículas como los fotones que se mueven a la velocidad de la luz y eso implica que su masa en resposo es nula.
La masa en reposo es la masa que mediría un observador que viera la partícula que quiere medir quieta respecto a él. El fotón se mueve a la velocidad de la luz, y la relatividad especial nos dice que eso implica que cualquier observador (inercial, que se mueve en línea recta y a velocidad constante) lo ve moverse a esa velocidad en cualquier situación. Es decir, que el fotón no está en reposo para nadie. Eso se traduce en decir que su masa en reposo es nula.
Entonces tenemos un problema porque en la naturaleza tenemos partículas con masa (no nula en reposo) y partículas sin masa (en reposo) y el modelo estándar nos dice que todas las partículas tienen que pertenecer al segundo caso.
En principio es una partícula a la que le gusta relacionarse (interactuar) con electrones, quarks, muones, neutrinos, bosones W y Z, etc. Sin embargo, mantiene una clara indiferencia hacia partículas como el fotón. Este comportamiento hace que una partícula que se relacione con la partícula de Higgs tenga una masa en resposo no nula y una partícula que no se relacione con la partícula de Higgs simplemente se mueva a la velocidad de la luz y por tanto podemos decir que tiene masa en resposo nula.
La teoría de Higgs soluciona este problema de la masa en el modelo estándar.
Estamos en el colegio, el día de la fiesta de fin de curso, el patio del cole está repleto de niños a primera vista parecen incontables—> Los niños son el Higgs.
En un momento dado aparezco yo en la puerta del colegio y quiero ir hacia la bonita barra que hay justo al otro lado del cole donde podemos comprar un bocadillo y una Fanta. Así que ni corto ni perezoso me dispongo a ir hacia la barra. Dado que ningún niño me conoce (mi sobrina está sobre el escenario haciendo de Olivia Newton John) paso sin problemas entre la chavalería hasta la barra. Es decir, no sufro interacciones y no tengo ningún motivo para reducir mi velocidad. En este caso se podría decir que no tengo masa en ese colegio.
A los 10 minutos aparece en la puerta del colegio
Iker Casillas deseando tomar un bocata de tortilla en la barra. El revuelo es
inmediato y se forma un tumulto a su alrededor, los niños se arremolinan
alrededor del bueno de Casillas y este avanza muy muy lento desde la puerta
hasta la barra. Se podría decir que Iker tiene una masa muy grande en ese
colegio.
Esto, grosso modo, es el mecanismo de generación de masa producida por el Higgs. Siguiendo la analogía, los niños en el patio del colegio serían las partículas de Higgs, yo sería un fotón que no interactúa con el Higgs y por tanto viaja a la velocidad de la luz (no tiene masa en reposo) y Casillas sería una partícula pesada, por ejemplo el bosón Z ya que interactúa mucho con las partículas de Higgs.
La supersimetría (SUSY) es una teoría muy “goddamn” porque, como
mínimo, duplica todas las partículas que conocemos y además, como mínimo,
quintuplica el número de bosones de Higgs. La versión más sencilla de la SUSY
(el modelo supersimétrico mínimo o MSSM) predice cinco bosones de Higgs: Dos de
ellos son como el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), partículas escalares
neutras, llamándose h el de menor masa y H el de mayor; además, predice un bosón
de Higgs neutro que es una partícula pseudo-escalar, llamado A, y dos bosones de
Higgs cargados que son partículas escalares con carga positiva H+ y
negativa H-. ¿Qué diferencia el bosón de Higgs SM de los bosones de
Higgs supersimétricos h y H? Nada, nada en absoluto, salvo que hay dos en lugar
de uno. ¿Podría haberse descubierto en el CERN el 4 de julio un Higgs
supersimétrico? Por supuesto, pues es imposible distinguirlos si la diferencia
entre las masas de h y H es grande. Podemos distinguir el Higgs A del Higgs SM,
pero los Higgs h y H son imposibles de distinguir.
Creo que hay recordar las dos opciones posibles a día de hoy. La primera es que se haya descubierto el bosón de Higgs H y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs h con una masa más pequeña (bastante menor de 125 GeV). La segunda opción es que se haya descubierto el bosón de Higgs h y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs con una masa mucho más grande (bastante mayor de 125 GeV). La opinión general de los expertos es que, tras 20 años buscando al Higgs por debajo de 115 GeV en LEP2 sin encontrarlo, la opción correcta debe ser la segunda. Es decir, si la SUSY se observa a baja energía en la escala alcanzable por el LHC del CERN, hay que seguir buscando un segundo bosón de Higgs con una masa mayor de unos 560 GeV (por debajo ya ha sido excluido que exista por los datos publicados el pasado 4 de julio). Por supuesto, si la SUSY no se da a baja energía (o a una escala alcanzable en el LHC), es imposible saber si el bosón descubierto el miércoles pasado es el Higgs del modelo estándar o el Higgs h supersimétrico, pero como no importa la diferencia, porque no la hay, la navaja de Ockham nos exige hablar de Higgs del modelo estándar (hasta que no se descubra alguna otra partícula de Higgs o supersimétrica).
¡No me lo puedo creer! ¿Pero de verdad no hay ninguna forma de distinguir un
Higgs SM de un Higgs SUSY? En realidad sí la hay, podemos descartar el modelo
MSSM por otros medios y descartado éste, automáticamente caen sus predicciones
en el sector del Higgs. Pero recuerda que si el LHC descarta el modelo MSSM, no
pasa nada con la SUSY pues podemos usar los modelos CMSSM, cMSSM, NMSSM,
nuMSSM, pMSSM, mSUGRA, etc. (hay cientos de variantes). Descartar la SUSY de
forma absoluta gracias al LHC es imposible, solo se pueden descartar ciertos
modelos y solo en la escala de energía alcanzable (hasta unos 5 TeV como mucho
con colisiones a 14 TeV c.m.). ¡Vaya con esa ”goddamn” SUSY!
¿Cómo se pueden producir en una colisión del LHC los bosones h, H y A? Exactamente de las mismas formas que se puede producir el Higgs SM, es decir, el 90% se producirá por fusión de gluones vía tres quarks top virtuales (los bosones de Higgs cargados se producirán de otra forma, pero no importa). ¿Cómo pueden observarse? Igual que el Higgs SM para los bosones h y H, pero en ciertos canales solo para el A.
¿Se están buscando los bosones de Higgs SUSY en el LHC? Sí, por supuesto, pero aún no han sido encontrados. Ver, por ejemplo, para los bosones MSSM en CMS las transparencias de la charla de Christian Veelken (CMS), “Search for Higgs Particles in MSSM SUSY,” ICHEP 2012, 6th July, y para otros modelos NMSSM la de Jim Olsen (CMS), “Beyond MSSM Higgs @ CMS,” ICHEP 2012, 6th July.
¿Pero de verdad no pasa nada si no se descubre la SUSY en el LHC? A todos los
físicos nos gustaría que se descubriera, sobre todo porque hay muchos físicos
trabajando en ella, pero la verdad es que no pasaría nada. Como nada pasó cuando
el Tevatrón a principios de los 1990 no la descubrió. La seguimos buscando con
el mismo ahínco que entonces y si el LHC no la encuentra en los próximos 20
años, la seguiremos buscando con el siguiente colisionador. Así de sencillo.
¿Puede resolver la SUSY todos los problemas que resuelve incluso si el LHC no la encuentra? Todos no, pero yo diría que casi todos y los que no resuelve, pues se siente, no los resuelve y punto. La SUSY no es la solución a todos los problemas del Modelo Estándar y si alguno de los problemas que podría resolver no lo resuelve pues no pasa nada.
¿Pero no dicen que la SUSY es “natural” y que el SM no lo es? Sí, lo dicen, pero seguirá siendo igual de natural incluso si ninguna superpartícula es observada en el LHC. Ver, por ejemplo, Xerxes Tata (Univ. Hawaii), “Natural Supersymmetry,” ICHEP 2012, 6th July. El asunto de la naturalidad ha estado muy de moda en la década de los 2000, pero en la década de los 2010 ya ha pasado de moda. ¿La física tiene modas? Como toda actividad humana.
No sé si le he aclarado las ideas a alguien o por el contrario las he liado más, pero bueno, lo siento en este último caso.
La búsqueda del Higgs en 2011 en el LHC, tanto en CMS como en ATLAS, mostró
un exceso en el canal difotónico (H→γγ) que hizo que mucha gente soñara con un
Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”), es decir, un Higgs que solo se acopla a los
bosones W y Z, y que no dota de masa a los fermiones (quarks y leptones). Este
tipo de Higgs solo se desintegraría en los canales WW, ZZ y γγ, presentando un
exceso en este último. Los datos de 2011 y 2012 en CMS excluyen al 95% CL un
Higgs fermiófugo en el intervalo de masas [110, 147] GeV y al 99% CL en el
rango [110, 134] GeV. La señal del Higgs alrededor de 125,5 GeV no puede ser de
un Higgs fermiófugo. Nos lo ha contado Matteo Sani
(on behalf of the CMS Collaboration),
“Search for a Fermiophobic Higgs Particle,” ICHEP 2012, 6th July.
El análisis de 5,1 /fb de datos de 2011 con colisiones a 7 TeV c.m. y de 5,3
/fb de 2012 a 8 TeV c.m. publicado el segundo día del ICHEP 2012, muestra
claramente un resultado incompatible con las predicciones teóricas para un Higgs
fermiófugo (marcadas por la raya roja horizontal en el valor unidad en esta
figura). El pequeño exceso que sigue habiendo en el canal difotónico alrededor
de 125,5 GeV, de unas 3,2 sigmas, es demasiado débil (0,49 ± 0,18) para ser
consistente con un Higgs fermiófugo. Habrá que buscar otra explicación para el
exceso observado en los datos del canal difotónico de desintegración del
Higgs.
¿Qué pasa con los otros canales de desintegración del Higgs fermiófugo? El
resultado preliminar para los datos de 2012 solamente a más de 3 sigmas un Higgs
fermiófugo alrededor de 125 GeV. No se ha combinado con los resultados de 2011,
pero el reanálisis de los datos de 2011 no se excluye un Higgs fermiófugo en el
intervalo [124, 128] GeV, pero sí, al 99% CL en el resto del intervalo [110,
148] GeV. Todo apunta a que la combinación (hecha a ojo) excluirá también ese
pequeño resquicio que dio esperanza en 2011 a los que gustaban de un Higgs
fermiófugo.
Lo prometido es deuda, así que tengo que comentar la charla de Fabiola
Gianotti, “Status of Standard Model Higgs searches in ATLAS,” CERN, 4th
July 2012 [a quien no le guste el font Comic Sans que lo cambie en el PPT]. El resultado
publicado ayer utiliza todos los datos de colisiones a 7 TeV c.m. recabados en
2011, que han sido reanalizados, y los nuevos para colisiones a 8 TeV c.m. de
2012, totalizando la friolera de 10,7 /fb (inversos de femtobarn de colisiones).
Recordando que la sección eficaz del Higgs (con una masa de 125 GeV) es de unos
20 pb, en los datos de ATLAS hay unos 210.000 bosones de Higgs. Obviamente,
observarlos es muy difícil y solo se puede esperar observar, como mucho, unos
400 bosones en canal difotónico (la desintegración del Higgs en dos fotones) y
unos 20 en el canal ZZ con 4 leptones cargados (la desintegración de un Higgs en
dos bosones Z que a su vez se desintegren en cuatro muones, o cuatro electrones,
o dos muones y dos electrones). Repito, como mucho; de hecho, estos números
están sobredimensionados porque en 2011 la energía de las colisiones fue
inferior, pero no merece la pena calcularlos con mayor precisión, mi objetivo es
ilustraros que aunque se hayan producido unos dos cientos mil Higgs en el LHC
solo podremos observar unos cientos, lo que demuestra lo difícil que es observar
un Higgs.
Los canales de desintegración del Higgs en los que podemos esperar que ATLAS
aporte información sobre el Higgs en 2012 son los siguientes: H→ γγ (dos
fotones), H→ ZZ*→ 4l (cuatro leptones cargados), H→ ZZ→ llνν (dos leptones
cargados y dos neutrinos), H→ ZZ→ llqq (dos leptones cargados y dos
quarks), H→ ττ (dos leptones tau), H→ WW*→ lνlν (dos leptones cargados y dos
neutrinos), H→ WW→ lνqq (un leptón cargado, un neutrino y dos quarks), y VH→ Vbb
(donde V es W o Z, y bb es un par de quarks bottom y anti-bottom). Cada uno de
estos canales muestra señales que son agrupadas de forma separada en lo que
podríamos llamar subcanales, pero no quiero marear más la perdiz. Lo importante
es que el descubrimiento de un bosón escalar tipo Higgs que se publicó ayer, 4
de julio, fue solo en dos de estos canales, por ello las autoridades del CERN no
quieren afirmar con rotundidad que se trata del Higgs predicho por el Modelo
Estándar. Ellos son así de conservadores y ya sabéis que a mí también se me pega
a veces este conservadurismo (aunque otras lo olvido).
El canal estrella ayer fue el canal difotónico (H→ γγ). Esta figura muestra
el resultado observado, una “joroba” (bump) muy clara por encima del fondo para
un Higgs cuya masa esté alrededor de 126,5 GeV. Lo primero hay que destacar es
que en esta figura se han dibujado unos 60.000 eventos y solo unos 200 de ellos
apuntan al Higgs. Lo segundo es que mirando todo el intervalo entre 100 y 160
GeV se observan gran número de fluctuaciones “puntuales” tanto por exceso como
por defecto. Lo tercero que los errores sistemáticos son grandes aún, del orden
del 10% en la predicción teórica para el fondo (background). Y por último, lo
cuarto es que la resolución para la masa del Higgs en este canal ronda el 14%
con lo que un valor de 126,5 GeV es compatible con un Higgs de 125,5 GeV o
incluso de 125 GeV. Este canal por sí solo no puede afinar tanto la masa y hay
que combinarlo con otros canales.
El pico se ve mucho mejor en este diagrama de exclusión de masa que nos
permite estimar a ojo la confianza estadística, aunque lo mejor es recurrir a
una figura del valor-p asociado a esta resonancia.
Como vemos los datos de colisiones de 2011 apuntan a un Higgs con una masa de
126 GeV con una confianza de 3,5 σ (sigmas), los de 2012 apuntan a un Higgs con
una masa de 127 GeV con una confianza de 3,4 σ, y los valores combinados
2011+2012 apuntan a un Higgs con una masa intermedia de 126,5 GeV con una
confianza estadística en la hipótesis de que se trata del Higgs del Modelo
Estándar de nada más y nada menos que de 4,5 σ (recuerda que un descubrimiento
se proclama al alcanzar 5,0 sigmas). Solo este canal ya apunta a descubrimiento.
Aún así, me gustaría recordar que estamos hablando de confianza local y que la
confianza global en el intervalo 110-150 GeV, teniendo en cuenta el efecto LEE
(Look-Elsewhere Effect), se reduce a solo 3,6 σ (considerando el
intervalo completo de búsqueda de 110 a 600 GeV se reduciría aún más; por eso yo
fui muy escéptico los días pasados sobre lo que se anunciaría ayer).
Esta figura compara la tasa de desintegración (sección eficaz) experimental
con la predicción del modelo estándar (valor igual a la unidad). Se han separado
los eventos del canal difotónico en diferentes grupos (según cómo han sido
identificados). Se ve que el resultado tiene gran incertidumbre en cada grupo,
pero que de forma global es ligeramente superior a la predicción teórica, en
concreto, para un Higgs con masa 126,5 GeV el mejor ajuste da 1,9 ± 0,5 en lugar
del valor esperado, 1,0.
Esta figura lo ilustra mejor, pero hay que tener cuidado y no olvidar la
anterior. La diferencia es pequeña y teniendo en cuenta que las incertidumbres
son grandes no debemos alarmarnos todavía por este valor “demasiado alto,”
proclamando un Higgs que no sea el predicho. Todavía es muy pronto para llegar
tan lejos.
Ahora nos toca analizar el segundo canal estrella del día de ayer, el canal H
→ ZZ* → 4l (4e, 4μ, 2e2μ), más o menos el 0,01% de los Higgs se desintegran de
alguna de estas formas. Arriba tenéis tres eventos de libro para cada una de
estas tres posibilidades (arriba 4 muones, enmedio 4 electrones, y abajo 2
muones y 2 electrones). Se espera detectar muy pocos eventos de este tipo en los
datos de 2011 y 2012 de ATLAS, pero son eventos muy limpios. Además, la
reconstrucción de la energía de la partícula (Higgs) que los produce es muy
buena, lo que los hace que este canal sea clave (tanto en ATLAS como en
CMS).
Esta figura muestra todos los eventos de este tipo observados en ATLAS entre
2011 y 2012 en el rango de energías hasta 250 GeV. Lo primero que se observa es
un pico alrededor de 90 GeV que corresponde a la resonancia Z → 4l que se
comprende muy bien y se considera ruido de fondo (por eso está en rojo). Se ha
superpuesto la señal esperada para un Higgs de 125 (celeste), 150 (naranja) y
190 GeV (gris). Claramente se ve que los datos solo son compatibles con un Higgs
a 125 GeV. La figura muestra claramente que se han observado 13 eventos (4 en
2011 y 9 en 2012) cuando se espera un fondo de 5,1 ± 0,8; la señal esperada para
un Higgs del Modelo Estándar con una masa de 125 GeV es de 5,3 ± 0,8 eventos (en
la zona celeste). Por tanto, la señal observada en este canal corresponde muy
claramente a un Higgs.
La significación estadística de la señal en este canal es mostrada en esta
figura. La señal de 2011 apuntaba a un Higgs con una masa de 125 GeV con una
confianza estadística local de 2,3 σ, la señal de 2012 a un Higgs con 125,5 GeV
y confianza local de 2,7 σ, y finalmente la combinación 2011+2012 apunta a un
Higgs de masa 125 GeV con una confianza local de 3,4 σ. La confianza estadística
global en el intervalo entre 110 y 141 GeV es de solo 2,6 σ. Estos resultados
son muy similares a los observados por CMS (que ya comenté en mi entrada de
ayer).
ATLAS (o mejor dicho, Fabiola) no presentó ayer ningún análisis con datos de
2012 de los demás canales de desintegración del Higgs que se están estudiando
(yo espero que este sábado 7 de julio en el ICHEP 2012 haya información sobre
alguno más, pero no sé si mi esperanza es vana). Lo único que han hecho ha sido
combinar los datos anteriores con los resultados en 2011 para dichos canales,
obteniendo esta figura combinada que provocó el aplauso de toda la concurrencia
en el CERN. Esta figura implica la existencia de un Higgs con una masa de 126,5
GeV con una confianza estadística local de 5,0 σ (lo que implica un
descubrimiento). La confianza global es de solo 4,1 y 4,3 σ para los intervalos
de masa (LEE) 110-600 y 110-150 GeV, respectivamente. Por cierto, los datos de
2011 (reanalizados) apuntan a un bosón de Higgs con 126 GeV con una confianza
local de 3,5 σ y los de 2012 a un Higgs de 127 GeV con una de 4,0 σ. Por
separado los datos no permiten un descubrimiento, pero acumulando datos de 2011
y 2012 el descubrimiento está fuera de toda duda.
¿Realmente se ha observado el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar?
Esta figura muestra el ajuste entre la señal observada por ATLAS y la predicción
del modelo estándar (línea roja con puntos; la línea negra con puntos es la
predicción del modelo estándar para la ausencia del Higgs). El ajuste es
magnífico. En mi opinión fuera de toda duda (teniendo en cuenta que en 2012 solo
se han analizado dos canales de búsqueda). El mejor ajuste estadístico
corresponde a un Higgs del Modelo Estándar con una masa de 126,5 GeV con un
cociente μ = 1,2 ± 0,3 prácticamente idéntico a la unidad (la predicción del
modelo estándar).
Para los físicos teóricos es importante el comportamiento de la partícula
observada respecto a la predicción de un Higgs del SM en cada canal por separado
porque muchos modelos exóticos para primos del Higgs implican cambios en las
tasas de desintegración en los diferentes canales. Esta figura nos muestra que
el canal difotónico muestra un exceso, pero que gracias al canal ZZ→llll se
corrige y al combinar el exceso se reduce mucho. Los otros canales, con datos
solo de 2011, aportan muy poca información.
En resumen, se ha descubierto un bosón escalar neutro que tiene toda la pinta de ser el bosón de Higgs y que mientras nadie demuestre lo contrario podemos afirmar con rotundidad que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Yo veo bastante claro que cuando se analicen con datos de 2012 los canales que faltan la señal será aún mucho más clara.
PS: En mi entrada en Amazings.es “El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs,” 4 julio 2012, escrita junto a Mario Herrero la hora después del anuncio en el CERN, dije que “No me gusta presumir, pero creo que debo recordar que en septiembre de 2011, en mi charla en Amazings Bilbao, predije que el Higgs sería descubierto en julio o agosto de 2012. Mi predicción no requería ninguna bola de cristal, solo mi absoluta confianza en el buen hacer de los miles de científicos que trabajan en el CERN y en sus grandes colaboraciones CMS y ATLAS. Miles de personas que han trabajado duramente durante dos años para brindarnos a toda la comunidad científica uno de los resultados más esperados y más importantes de las últimas décadas.”
En uno de los comentarios un tal clos dijo: “Sí que me gustaría añadir una cosa. Para gustarle poco presumir, la verdad es que Francis presume bastante. Menudo logro, predijo que sería descubierto en julio o agosto. Aunque quizá tendría más mérito si hace unos días no hubiera predicho también lo siguiente: El anuncio no será más gordo que el de diciembre de 2011.” Mi contestación fue la obvia en estos casos: “Gracias, clos. Tienes razón, presumo bastante. Presumo hasta de presumir.”
Quizás debo aclarar este asunto en mi propio blog, pues no merece la pena aclararlo en Amazings.es. Mi opinión previa al anuncio del CERN asumía que no se iban a combinar los datos de 2011 y de 2012. Como aparece muy claro en esta entrada y en mi anterior entrada sobre CMS, solo los datos de 2012 no permiten asegurar un anuncio de descubrimiento ya que la significación estadística local supera por poco las 4,0 sigmas. Además, en el anuncio de diciembre de 2011, la dirección del CERN le dio mucha importancia a la confianza (o significación) estadística global, por lo que fue un anuncio muy pesimista, y yo pensé que también harían lo mismo en el nuevo anuncio del 4 de julio. Me equivoqué en ambas cosas. Se han combinado los datos de 2011 y 2012 lo que ha permitido superar cinco sigmas locales, y además se ha preferido no mencionar que las sigmas globales todavía están lejos de un descubrimiento. Por supuesto, la combinación no oficial viXra de Philip Gibbs con los datos actuales LHC 2011, LHC 2012, Tevatrón y LEP 2, permite asegurar un descubrimiento con más de cinco sigmas globales. Quizás la dirección del CERN ha cambiado de opinión y/o costumbre para evitar el efecto “blogosfera” de la combinación viXra. Aunque lo más seguro es que la garantía de que el Higgs no se encuentra por debajo de 600 GeV con más de cinco sigmas locales, salvo en el intervalo alrededor de 125,5 GeV, haya sido suficiente para justificar el cambio de opinión.
En cualquier caso, lo que debemos tener muy presente es que la dirección del CERN habla del descubrimiento de un bosón escalar que puede ser el Higgs, pero que aún hay que recabar más datos. Lo que quieren decir es que hay que analizar más canales de desintegración ya que debido a que la confianza estadística global en el descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar todavía no alcanza las cinco sigmas según los datos publicados oficialmente (aunque sí en los oficiosos). En unos meses, con toda seguridad en diciembre de 2012, ya habrá datos suficientes para confirmar de forma “definitiva” que se trata del Higgs. Por cierto, nunca se puede decir de forma “definitiva” en física. ¿Es el quark top observado el quark top de la tercera generación de partículas según la QCD? La verdad es que tras 17 años todavía se siguen estudiando sus propiedades y se sigue comprobando si coinciden con las que tiene que tener. Todavía, aunque poca gente duda de que no sea la partícula que tiene que ser.
¿Realmente podemos confiar en las combinaciones oficiosas de Philip Gibbs? Su hipótesis sobre el comportamiento de los errores (seguir una distribución normal o gaussiana). Cuanto más colisiones se consideran, gracias a la ley de los grandes números, más confianza tienen estas combinaciones. Abajo tenéis la única combinación oficial ATLAS+CMS publicada hasta el momento (finales de agosto de 2011) y cómo se compara con la combinación oficiosa (curva roja). Sobran más comentarios (pero si queréis más podéis consultar esta entrada de viXra).
Voy a empezar por el final. La combinación oficiosa de Philip Gibbs para el
canal difotónico de ATLAS y CMS no deja lugar a dudas, una evidencia a 6,02
sigmas de significación estadística local en el intervalo entre 110 y 150 GeV.
Gracias a analizar los datos de colisiones tanto de 2011 como de 2012, se ha
logrado un descubrimiento de un bosón escalar con una masa entre 125 y 126
GeV.
Continuando con el final, la combinación ATLAS+CMS oficiosa de Philip Gibbs
para los dos canales que han permitido el descubrimiento del Higgs, tampoco deja
lugar a dudas, una señal a 7,39 sigmas de confianza estadística local. Estos dos
canales son el canal difotónico (0,2 % de las desintegraciones de un Higgs) y el
canal de desintegración en dos bosones Z que se desintegran a su vez en cuatro
leptones cargados, cuatro muones, cuatro electrones, o dos electrones y dos
muones (0,01 % de las desintegraciones del Higgs). Estas figuras oficiosas serán
muy parecidas a las figuras oficiales (que seguramente no se publicarán hasta el
año que viene).
Para los interesados en la combinación oficiosa de todos los datos
disponibles, Philip Gibbs nos presenta en esta figura la combinación de los
datos de LEP2, Tevatrón (publicación del pasado lunes), LHC 2011 (reanalizados)
y LHC 2012. Una combinación oficiosa que muestra una señal de un Higgs con una
masa de 125,5 GeV con una confianza estadística local de 7,45 sigmas. Más aún,
se excluye el bosón de Higgs en todo el intervalo de masas entre 100 y 600 GeV,
salvo a dicha masa, en la zona en fondo de color rojo hasta 5 sigmas (rosa
oscuro para 4 sigmas y rosa claro para 3 sigmas), lo que nos indica que se
pueden utilizar los sigmas locales sin necesidad de recurrir a sigmas globales.
La experiencia previa indica que esta figura será bastante parecida a la figura
oficial que combine estos datos (que posiblemente nunca se publique). Realmente
el trabajo de Philip Gibbs es espectacular. Además, la señal de un Higgs del
Modelo estándar tiene un valor de 0,99 (cuando se esperaría un valor igual a 1)
lo que ratifica que la señal tiene toda la pinta de ser el Higgs predicho (sin
aditamentos).
Esta mañana todo empezó con la charla de Joe (Joseph) Incandela,”Status of the CMS SM Higgs Search” [slides]. Tras contarnos cómo se produce el Higgs en el LHC,
cómo se desintegra y cómo funcionan los detectores de CMS de diferentes tipos de
partículas, fue directo al grano, al canal difotónico. En este canal el Higgs se
desintegra en un par de fotones, las trazas verdes que se ven en este evento
obtenido en mayo de 2012, un evento limpio, casi de libro, de un candidato al
Higgs (nunca se puede estar seguro al 100%).
Los datos en el canal difotónico de 2012 (con colisiones a 8 TeV c.m.) no son
suficientes para proclamar un descubrimiento, como muestra esta figura. solo hay
un pequeño exceso respecto a las predicciones para el fondo (el punto negro que
está encima de la línea rayada en la parte alta del óvalo rojo). De hecho, hay
puntos similares en otros lugares. Para obtener un descubrimiento hay que
combinar las colisiones de 2012 con las de 2011 (que fueron a 7 TeV c.m.). Esta
combinación ha exigido un reanálisis de los datos de 2011 con los mismos
algoritmos que se han utilizado para analizar los datos de 2012, con lo que ha
mejorado mucho el resultado publicado en diciembre de 2011.
El resultado es esta figura de gran belleza y limpia como una patena. Hay una
“joroba” (bump) clarísima alrededor de 125 GeV, que aparece ampliada en el
recuadro. La coincidencia de esta joroba tanto en los datos de 2011 como en los
de 2012 es clave para el descubrimiento. Esta figura no deja lugar a dudas, con
una significación local de 4,1 sigmas (aunque en el rango completo entre 110 y
150 GeV se reduce a solo 3,2 sigmas) se ha observado un bosón escalar neutro con
una masa de unos 125 GeV. Se ha observado un Higgs (lo que no significa que sea
El Higgs predicho por el Modelo Estándar).
En el canal difotónico se han clasificado los
eventos en varios tipos diferentes (Untagged 0, 1, 2, 3 y Di-jets). Esta figura
muestra el ajuste de los datos con las predicciones del modelo estándar,
realmente muy bueno (mejor de lo que se había observado en diciembre de 2011).
El resultado es que la tasa de desintegración (sección eficaz) para este canal
es poco mayor pero compatible con la predicha por el modelo estándar, en
concreto σ/σSM = 1,56 ± 0,43 × SM. Este resultado indica que es muy
probable que el bosón observado sea un Higgs, aunque para asegurar que sea el
predicho por el modelo estándar hay que estudiar cómo se desintegra en otros
canales.
El otro canal estrella para la búsqueda del Higgs, por su limpieza, es la
desintegración H→ZZ→4 leptones (e,μ). En este caso os muestro un evento de la
desintegración de un (candidato al) Higgs en dos muones y dos electrones
observado el 28 de mayo en CMS. Podéis ver claramente la limpieza de este evento
y lo bien que se reconstruyen tanto la energía como las trayectorias de los
muones y de los electrones en CMS.
Esta figura muestra claramente una señal de un Higgs con una masa de 126 GeV
(el pico en rojo es la predicción teórica para un Higgs y los puntos negros
están claramente por encima de la parte azul correspondiente a la ausencia del
Higgs). Esta señal es muy limpia aunque estamos hablando de muy poquitos
eventos, pero muy poquitos eventos (4+3+2 = 9 eventos, sobre un fondo esperado
de 1+1+1 = 3). En diciembre de 2012 estaremos hablando de como mínimo el doble
de eventos. Creo que es importante resaltar esto a la hora de sacar conclusiones
de este canal de desintegración. La significación estadística para este canal de
desintegración es de 3,2 sigmas para la observación de un Higgs con una masa de
125,5 GeV. Puede parecer poco, pero hay que combinarlo con el canal
difotónico.
El canal H→ττ (VBF tag) y H→WW (VH tag) son los que marcan las mayores
diferencias respecto a la predicción del Modelo Estándar, estando muy bien
ajustado a sus predicciones el canal H→ZZ. Por todo ello, en mi modesta opinión,
se ha descubierto el Higgs predicho hasta que no se demuestre lo contrario. A
muchos nos gustaría ver un primo del Higgs en lugar de El Higgs, pero por ahora
es lo que tenemos.
Mañana os comentaré los resultados de ATLAS. Lo siento pero lo tengo que dejar aquí por ahora…
La búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN no es fácil porque se
desintegra de muchas maneras en las que se puede confundir con las
desintegraciones de otras partículas. Este diagrama en forma de tarta muestra
los ocho canales de desintegración más probables para un bosón de Higgs del
modelo estándar con una masa de 125 GeV. Solo podemos esperar una señal fuerte
del Higgs en dos de estos canales: la desintegración en dos fotones, que ocurre
el 0,2% de las veces, y la desintegración en dos bosones Z que a su vez se
desintegren en cuatro leptones cargados (muones o electrones), que ocurre el
0,01% de las veces. Los demás canales y su porcentaje específico son importantes
para confirmar que la partícula observada es el bosón de Higgs del modelo
estándar, pero no hay estadística suficiente para esperar una señal en los datos
que se presentarán mañana porque la relación señal/ruido para estos canales es
pésima. Por ello, si mañana se anuncia el descubrimiento de una partícula con
una masa de 125 GeV, no se podrá asegurar que se trata del bosón de Higgs del
modelo estándar. Será como si vemos la foto de la cola de un caballo. No podemos
saber si se trata de un poney, un percherón o un pura sangre. Hay que ver algo
más para saberlo. El diagrama está extraído de Sean Carroll, “Hunting for
Higgses,” Cosmic Variance, July 2nd, 2012.
Más en detalle, el diagrama nos muestra que el 57% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de quarks bottom y anti-bottom (canal bb), el 3% de las veces en un par de quarks charm y anti-charm (canal cc), y el 9% en dos gluones (canal gg). Estos tres modos de desintegración, casi el 70% de las veces, son imposibles de observar en las colisiones acumuladas hasta hoy en el LHC porque su relación señal/ruido es muy mala (los quarks y gluones se hadronizan formando chorros que se confunden fácilmente con los chorros del ruido de fondo en las colisiones). Si el Higgs tuviera una masa cercana superior a 350 GeV (dos veces la masa del quark top), lo más probable es que se desintegrara en un par de quarks top y anti-top, pero para un Higgs con una masa menor que la de este quark este canal tiene un probabilidad muy baja, aunque al ser el quark con más masa es con el que está más acoplado (de hecho, el acoplamiento es igual a la unidad con un error de 1%). El canal bb podrá ser observado en el LHC dentro de unos años, en especial en el experimento LHCb. En el Tevatrón del Fermilab este canal es mucho más fácil de estudiar para la incertidumbre experimental es alta y su sensibilidad a la masa del Higgs es baja, teniendo un error de unos 15 GeV para un Higgs de 125 GeV.
El diagrama de tarta también muestra que el 21% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de bosones vectoriales WW, el 3% en un par de bosones ZZ y el 6% de en un par de leptones tau. Estos canales, aunque son claves para saber si se trata del Higgs del modelo estándar o uno de sus primos, también presentan una relación señal/ruido mala (aunque no tan mala como los anteriores), porque estas partículas de alta masa la mayoría de las veces se desintegran en quarks y gluones que también forman chorros hadrónicos y se confunden con el ruido de fondo. ¿Por qué son canales clave entonces? Porque no siempre se desintegran de esta forma y a veces lo hacen en leptones cargados y los detectores del LHC están optimizados para observar muones y electrones con gran sensibilidad, sobre todo muones. Por ello, estos modos de desintegración que acaban en leptones cargados, aunque muy poco probables, son fundamentales para la búsqueda del Higgs cuando estos bosones vectoriales se desintegran a su vez en leptones.
El mejor canal entre los anteriores es el ZZ cuando conduce a cuatro leptones
(0,01% de las desintegraciones de un Higgs con 125 GeV de masa), ya que el WW va
acompañado de neutrinos (leptones neutros) cuya presencia es más difícil de
asegurar con precisión. Ahora mismo, con los datos de colisiones de 2011 (ver la
figura oficiosa de Philip Gibbs en viXra que combina colisiones del LHC y del
Tevatrón) la señal en el canal WW presenta un defecto mayor de lo esperado (en
esta figura no oficial el error (línea vertical azul) en el canal WW no cruza la
línea verde (que corresponde al Higgs del modelo estándar). Seguramente se trata
de un defecto debido al poco número de colisiones estudiados y a la dificultad
de analizar este canal (la presencia de neutrinos complica mucho la labor de
análisis de la colisión).
Finalmente, los dos canales estrella son muy poco probables, alrededor del 0,2 % de las veces, pero son mucho más fáciles de observar que todos los anteriores y son los que presentan una señal más clara de un Higgs. Por un lado, la desintegración en dos fotones (el canal clave para la charla de mañana miércoles y el responsable de todos los rumores, tanto en diciembre de 2011 como ahora mismo) y por otro la desintegración en un Z y un fotón, que mañana no nos ofrecerá ninguna información importante, pero que será fundamental en los anuncios sobre el Higgs para diciembre de este año y el próximo año.
El canal difotónico presenta un ligero exceso respecto a las expectativas para el bosón de Higgs del modelo estándar (como muestra la figura oficiosa de viXra) que ha sido interpretado por muchos como una indicación de que el Higgs que se está observando no es el predicho por el modelo estándar mínimo. Sin embargo, teniendo en cuenta que el exceso es pequeño, puede que sea debido a una fluctuación estadística en contra. Habrá que estar atentos mañana a si este exceso se confirma (como muchos rumores apuntan) o por el contrario disminuye (como algunos esperamos).
En resumen, esta figura de Sean Carroll muestra los tres canales (modos de
desintegración) del Higgs que prometen ofrecer información mañana sobre si el
Higgs existe o no existe, y sobre la partícula que parece que se ha descubierto
se parece al Higgs del modelo estándar o no se parece. Recuerda, solo 2 de cada
mil bosones de Higgs se desintegra en alguno de estos canales y aunque estos
canales muestran señales muy claras en los detectores de ATLAS y CMS también hay
ruido de fondo que puede dificultar los análisis. La búsqueda del bosón de Higgs
no es fácil, pero es apasionante.
Mañana, a partir de las 08:30 hora de Madrid comentaré en directo vía chat en Amazings el anuncio del CERN junto a Mario Herrero (“Mañana sigue en directo desde Amazings.es la Conferencia sobre el Higgs comentada y explicada por nuestros físicos,” Amazings.es). Si te apetece síguenos allí para conocer todos los detalles en tiempo real.
La reparación del LHC (llamada LS1 por Long Shutdown 1) que
permitirá colisiones a máxima energía, 14 TeV c.m., durará unos 20 meses. Se
había planificado su inicio para enero de 2013, con lo que las primeras
colisiones tras el LS1 serían a finales de 2014. Uno de nuestros lectores nos
indica que Rolf Heuer ha circulado un e-mail por todo el CERN indicando que
se prolongarán las colisiones de 2012 (incluyendo iones
pesados) hasta mediados de febrero de 2013. Esto significa que
no habrá colisiones a finales de 2014 (se esperaban para noviembre), salvo que
las reparaciones se ejecuten más rápido de lo estimado; habrá que esperar a
febrero de 2015. Un retraso de tres meses es poco tiempo en un proyecto a tan
largo plazo como el LHC y permitirá acumular más colisiones para verificar fuera
de toda duda el descubrimiento del bosón de Higgs. En mi opinión se trata de
buenas noticias.
En este blog he dicho en varias ocasiones que el experimento CMS está
realizando un análisis “ciego” de las colisiones de tal forma que ningún físico
pueda ver el resultado de las búsquedas antes de tiempo. Esta figura ilustra lo
que han visto los físicos de CMS hasta casi el último momento para el canal H →
ZZ → 4 leptones, utilizando los 5,05 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. de
2011 y los 5,26 /fb de colisiones de colisiones a 8 TeV c.m. de 2012.
La banda que aparece entre 110 y 140 GeV oculta el resultado en la zona de
interés para la búsqueda del bosón de Higgs (en rojo aparece la señal esperada).
Oficialmente, todos los físicos que tienen que optimizar los programas de
análisis de datos solo han visto lo que está fuera de la banda. Nos lo cuenta
Achintya Rao, “Blinding and unblinding analyses,” CMS Experiment News, 28 June 2012.
¿Por qué se hace esto? La idea es impedir que los físicos que desarrollan algoritmos de análisis de los datos sesguen sus algoritmos para optimizar la señal de un bosón de Higgs que puede que no esté en los datos. Así se evita la tendencia humana, muchas veces de forma subconsciente, a optimizar los parámetros de los algoritmos para que la señal que creemos que está allí se vea con más claridad. No viendo esta señal es imposible realizar este proceso y solo se puede optimizar los algoritmos utilizando el fondo predicho por el modelo estándar, que se observa en la figura por debajo de 110 y por encima de 140 GeV.
Lo más interesante de esta figura no es lo que no se ve, sino lo que se ve el título de la misma. Se han combinado todas las colisiones de 2011 y de 2012, lo que indica que mañana miércoles en el CERN nos contarán los resultados de la búsqueda del Higgs con todos los datos disponibles, más de 10 /fb de datos.
Me encantan los rumores sobre noticias de ciencia porque generan gran interés
en el público, e incluso TT en Twitter (como #Higgs y “God Particle”). Un nuevo
rumor ha aparecido en la red en una noticia de Nature, Breaking News, que para
muchos es una fuente fiable. Dos físicos anónimos del LHC dicen que mañana se
publicará en el CERN el anuncio de una partícula con 125 GeV/c² de masa con una
confianza estadística entre 4,5 y 5 sigmas, pero que no pueden decir si se trata
del Higgs o de un primo del Higgs. ¿Qué significa esto? Puede que no lo sepan, o
puede que no lo quieran decir. Por lo que dicen en Nature esta señal se ha
observado en el canal difotónico, la desintegración de un Higgs en dos fotones
(nada se dice de lo que pasa en otros canales). En este canal tiene que tratarse
de una partícula escalar, luego debe ser un primo del Higgs, si no es el propio
Higgs. En cualquier caso, el portavoz del CERN, James Gillies, ha confirmado que
mañana estarán allí cuatro de los físicos teóricos responsable del mecanismo de
Higgs en 1964, en concreto, François Englert, Carl R. Hagen, Peter W. Higgs y
Gerald S. Guralnik (habiendo excusado su presencia T. W. B. Kibble por motivos
de trabajo); solo falta en la invitación el recientemente fallecido Robert
Brout. Nos lo ha contado Matthew Chalmers, “Physicists find new particle, but is
it the Higgs? LHC data confirm discovery, but not identity, of Higgs-like
entity,” Nature, Breaking News, 02 July 2012 [DOI].
¿Qué queréis que yo opine? Pues yo no puedo opinar. Mañana miércoles a las
9:00 estaré viendo (si no se saturan las líneas) la retransmisión del evento en
el CERN, que acabará sobre las 10:30. Trataré de contaros en directo vía este
blog qué pasa con el asunto. Soy poco hábil escribiendo un resumen de lo que
escucho mientras al mismo tiempo estoy oyendo lo que cuentan y viendo las
transparencias, pero trataré de hacerlo lo mejor posible.
Para acabar os recuerdo lo que decía Martinus Veltman en 1987 en
Investigación y Ciencia (Scientific American) sobre el Higgs: “El mayor problema
del [bosón de Higgs] es que hasta ahora no se ha hallado ninguna prueba de su
existencia. Sí contamos, en cambio, con bastantes indicaciones indirectas que
sugieren que la partícula no existe. Lo cierto es que la física teórica está
constantemente llenando el vacío con tantos fantasmas del tenor del bosón de
Higgs que parece imposible que alguien pueda ver siquiera las estrellas en una
noche clara. Aunque puede que los aceleradores lleguen a encontrar una prueba
directa del bosón de Higgs y demuestren que los motivos para postular su
existencia eran correctos, pienso que las cosas no serán tan sencillas.”
Hay una cosa que mucha gente olvida y que es de capital importancia en la
búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN: las predicciones teóricas del
modelo estándar son muy difíciles de calcular y mejoran conforme pasa el tiempo.
Buen ejemplo de ello es esta figura. En la parte izquierda se muestra lo que era
un misterio en noviembre de 2011 (publicado como tal en la revista JHEP en enero
de 2012). En la parte derecha aparece la solución del misterio (aparecida en
ArXiv en febrero de 2012). Había un misterioso exceso en las colisiones
protón-protón que mostraban un par de fotones en el experimento CMS, al
compararlas con las predicciones teóricas calculadas hasta el orden NLO. Dicho
exceso ha desaparecido al compararlas con las predicciones teóricas calculadas
hasta NNLO. Esto nos recuerda que no siempre la contribución del siguiente orden
de la teoría de perturbaciones es pequeña; en este caso el orden NNLO introduce
un efecto entre el 40 y el 55% respecto al orden NLO.
¿Qué significa esto con respecto a la búsqueda del bosón de Higgs con masa alrededor de 125 GeV/c²? El canal difotónico es el “gold channel” de esta búsqueda y mostraba un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar, que llevó a algunos físicos a proponer que la señal a 125 GeV/c² correspondía a un primo (“fermiofóbico”) del Higgs. ¿Hasta qué orden se calculó dicho canal difotónico? El cálculo se realizó hasta NLO, luego es posible que veamos sorpresas cuando se calcule hasta NNLO. ¿Significa esto que la señal observada de un Higgs desaparecerá? Como también fue observada por ATLAS, no creo que ese sea el caso. Más bien, pero es una opinión personal mía, podría significar lo contrario, que la señal publicada en diciembre de 2011 aparentaba ser más débil de lo que en realidad era y que un nuevo análisis de dichos datos podría reforzar dicha señal. Obviamente, es solo una opinión mía. Que nadie me tire de las orejas si me equivoco (quizás lo sabremos el 4 de julio). Los autores de blogs estamos para eso, para equivocarnos.
El misterioso exceso observado por CMS se publicó el 1 de noviembre de 2011 en “Measurement of the Production Cross Section for Pairs of Isolated Photons in pp collisions at s√ = 7 TeV,” CMS-QCD-10-035, CERN-PH-EP-2011-171, arXiv:1110.6461 y apareció en revista el 25 de enero de 2012 (J. High Energy Phys. 01 (2012) .133). Mucha gente se hizo eco de este exceso, como Matt Strassler, “Two-Photons: Data and Theory Disagree,” OPS, Nov. 1, 2011 (que achacó de forma acertada el exceso a un error en el cálculo teórico de la predicción del modelo estándar); Matti Pitkanen, “CMS observes large excess of diphotons,” TGD Diary, Nov. 2, 2011 (que también acertó al afirmar que se trataba de un error sistemático); Lubos Motl, “CMS: a very large excess of diphotons,” TRF, Nov. 1, 2011 (que rápido como el rayo soñó con nueva física más allá del modelo estándar); y otros. Por cierto, yo no me molesté en hacerme eco de esta noticia en este blog (aunque escribí un borrador al respecto que quedó inacabado y por eso ahora rescato esta noticia).
La solución del misterio aparece publicada en múltiples sitios: Leandro Cieri, “Diphoton production at NNLO,” Winter School, Ascona, January 27, 2012; Leandro Cieri, “Diphoton production at LHC: 120 < Mγγ < 140 GeV,” Rencontres de Moriond, March 11, 2012; Jonathan M. Butterworth, Guenther Dissertori, Gavin P. Salam, “Hard Processes in Proton-Proton Collisions at the Large Hadron Collider,” Annual Review of Nuclear and Particle Science, arXiv:1202.0583; y otros artículos más recientes.
Por cierto, “Los rumores sobre la detección del Higgs se convirtieron ayer” (20 de junio) “en trending topic a través del HT#HiggsRumors”
(fuente @RSEF_ESP).
Tommaso Dorigo, “How Fast Do We Get Higgs Mass Plots From Raw Data ?, AQDS, June 17th 2012, nos cuenta cuánto tiempo cuesta convertir los datos de los análisis de las colisiones (“raw data”) en las figuras finales (histogramas en función de la masa) que aparecerán en las charlas del ICHEP y en los artículos científicos. Según él, primero hay que preseleccionar los eventos interesantes para cada canal de desintegración del Higgs, que para unos 5 /fb de datos recogidos en el LHC en 2012 puede costar unos 3 meses; afortunadamente este proceso se realiza en paralelo con la toma de datos. Por cierto, este proceso puede hacerse de forma “ciega” sin que los científicos involucrados puedan saber cuál será el resultado final. La parte final del análisis, recopilar todos los datos y “sumar” los resultados obtenidos, Tommaso estima que se pueda hacer en medio día (como mucho). Por ello, un día nadie sabe nada sobre el Higgs y al día siguiente todo el mundo (dentro de la colaboración de científicos) sabe lo mismo que las primeras personas que vieron la figura final.
PS: Como dice Jorge Díaz, “CERN anunciará nuevos resultados en búsqueda del Higgs,” Conexión Causal, junio 22, 2012, “¿por qué el CERN convoca este seminario [científico] adelantándose a la presentación en ICHEP [tres días más tarde] si no [es] para anunciar algo importante? Ojalá no se trate de estrategia publicitaria y de resultados de verdad importantes.”
El análisis de las colisiones del año pasado (2011) en el LHC en busca de
esta asimetría utilizando el detector ATLAS ha encontrado un valor A(tt) = 0,029
± 0,018 (stat.) ± 0,014 (syst.), es decir, 0,029 ± 0,022, compatible con la
predicción del modelo estándar 0,006 ± 0,002. Estos resultados nos los ha
contado Klaus Mönig, “ATLAS Status Report,” 110th LHCC Meeting, 13 June 2012 [slides, video]. La asimetría también ha sido estudiada en CMS
conduciendo al valor A(c) = 0,004 ± 0,010 (stat.) ± 0,012 (syst.), es decir, el
valor 0,004 ± 0,012 que hay que comparar con la predicción del modelo estándar
predice 0,0115 ± 0,0006. Nos ha contado este resultado Yves Sioris, “CMS Status
Report,” 110th LHCC Meeting, 13 June 2012 [slides, video]. Por tanto, tanto ATLAS como CMS descartan la
observación de la asimetría (a finales de año habrá una ratificación de estos
resultados con las colisiones a 8 TeV c.m. de 2012). Por cierto, los datos del
Tevatrón en la figura están extraídos de “Forward-backward asymmetry in top
quark-antiquark production,” Phys. Rev. D 84, 112005 (2011) [PRD, ArXiv].
Por otro lado, la señal (resonancia) alrededor de 150 GeV observada por CDF
en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón que conducen a dos bosones W,
que a su vez se observan como dos chorros de hadrones, que no fue observada por
DZero (también en el Tevatrón), tampoco ha sido observada por CMS del LHC. Como
también nos recuerda Yves Sioris, “CMS Status Report,” 110th LHCC Meeting, 13
June 2012 [slides, video], siendo el artículo técnico The CMS Collaboration,
“Study of the dijet invariant mass distribution in W→lν plus jets events
produced in pp collisions at √s = 7 TeV,” CMS PAS EWK-11-017.
Esta figura muestra una colisión protón-protón con una energía de 8 TeV en el
centro de masas en el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del
CERN. Como los protones tienen una estructura interna complicada,
cada colisión protón contra protón corresponde a múltiples colisiones
individuales de quarks y gluones, llamadas vértices. En el análisis de
colisiones interesa el vértice más energético (aunque no siempre), siendo el
resto de los vértices “ruido” para los análisis (así como para los triggers
(disparadores) que deciden en tiempo real cuando almacenar en disco una colisión
concreta). En esta figura se muestra un evento de principios de 2012 que
presenta 25 vértices. A este fenómeno se le llama “apilado” (pileup) de
colisiones y como muestra la figura de abajo, ahora mismo se están alcanzando
valores de más de 30 vértices en algunos eventos. En la figura se ha marcado un
vértice en concreto con dos líneas en amarillo, que corresponden a la
trayectoria de dos muones resultado de la desintegración de un bosón Z, el
vértice más energético de todos, los 24 vértices restantes no tienen ningún
interés (para los físicos son puro “ruido”). En la mayoría de las colisiones que
se están grabando en disco pasa esto (el número medio de colisiones apiladas es
de 15), lo que complica los análisis de dichas colisiones. Como nos cuenta Klaus
Mönig, “ATLAS Status Report” [slides, video] este es el gran problema en el análisis de colisiones
en ATLAS durante 2012. Se ha realizado un gran esfuerzo para preparar todos los
algoritmos de análisis para lidiar con el pileup y minimizar su impacto. Todavía
recuerdo cuando comenté en junio de 2010 que conforme la luminosidad crece, las colisiones en el LHC del CERN se
complican y ya hay colisiones con cuatro vértices primarios. Parece ayer,
pero hoy en día observar colisiones “limpias” es casi imposible (ya os presenté
en 2011 el evento más limpio observado en el experimento CMS del LHC en
el CERN, hasta entonces, aunque quizás desde entonces no haya ninguno más
limpio).
Lo mismo nos cuenta Yves Sioris, “CMS Status Report” [slides, video], quien nos comenta algunas de las técnicas de
mitigación de los efectos del pileup (PU), como las correcciones evento a evento
basadas en la densidad de energía media de los haces, técnicas de siguimiento
local de los vértices adaptadas a cada tipo de evento, técnicas basadas en el
flujo de partículas (particle flow), etc. (todas estas técnicas se validan
mediante simulaciones por métodos de Montecarlo). Sin entrar en los detalles hay
que destacar que los “canales de oro” para la búsqueda del Higgs, como las
desintegraciones en dos fotones o en múltiples leptones, sufren poco el fenómeno
del pileup, pues se basan en las trazas dejadas por estas partículas en los
calorímetros. Por contra, otras búsquedas de nueva física son muy afectadas por
el pileup y para ellas mantenerlo bajo control requiere enormes esfuerzos. Yves
Sioris también nos cuenta que el objetivo de CMS para 2012 es alcanzar
una luminosidad instantánea pico (el máximo número de colisiones por segundo)
de 7 × 10³³ /cm²/s. Están cerca pero todavía no se ha logrado el objetivo.
Steve Myers (CERN) nos cuenta su charla “LHC Machine Status Report” [slides, video] que se ha planificado que este año el LHC logre superar
15 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones, aunque bastan 13,3 /fb para
encontrar el bosón de Higgs a 5 sigmas con colisiones a 8 TeV c.m., porque se ha
considerado un márgen de seguridad mínimo del 15% para lidiar con seguridad con
el incremento del pileup de colisiones (entre otras razones). Más aún, en su
charla también nos indica que si fuera necesario para confirmar el
descubrimiento del Higgs, incluso se podrían retrasar un par de meses el inicio
de la fase de reparación del LHC planificada para 2013. La prioridad para el año
2012 es, fuera de toda duda, la búsqueda del Higgs. Seguramente no será
necesario este retraso pues ahora mismo la luminosidad instantánea pico supera
el valor estimado a principios de año para 2012. Ahora mismo se está superando
sin problemas un inveso de femtobarn a la semana (por ejemplo, la semana del 4
al 11 de junio se acumularon 1,133 /fb de colisiones).
En resumen, el año 2012 está siendo todo un éxito, pero quienes controlan los haces tienen una misión clave que cumplir, vigilar con extremo cuidado que la máquina esté protegida ante cualquier posible incidente (actualmente en modo colisiones se almacenan 120 MJ (megajulios) de energía). Como acaba siempre sus charlas Steve Myers, crucemos los dedos para que no haya ningún problema con el LHC durante este año (porque la suerte también tiene que acompañar al buen hacer).
Los dos grandes experimentos en el LHC del CERN han logrado un récord de
colisiones acumuladas (luminosidad integrada), superando en 2012 el total de
colisiones acumuladas en 2011, 2010 y 2009. En concreto, CMS ha superado los 5,42 /fb (inversos de
femtobarn) y ATLAS los 5,26 /fb. El análisis de estas colisiones en busca del
bosón de Higgs es suficiente para proclamar un descubrimiento (si se combina
con los resultados del año pasado). Más información en Tommaso Dorigo, “Enough
Luminosity For A Higgs Discovery!,” A Quantum Diaries Survivor, June 5th 2012.
Para evitar que haya una filtración que conduzca a algún rumor temprano, se está realizando en CMS un análisis “ciego,” es decir, tal que los que trabajan en el análisis de datos no puedan saber el resultado que se obtendrá antes de que se aplique el último paso del análisis, reservado a unos pocos; por cierto, la explicación oficial de que el análisis sea “ciego” es para que los propios investigadores no lo sesguen con sus propios prejuicios. Más información en Sean Carroll, “Higgs Progress,” Cosmic Variance, June 11th 2012.
Sin embargo, por ahora en ATLAS no se está realizando un análisis “ciego” y por ello ya se oyen algunos rumores; en concreto, parece que ya se han observado varios eventos con una energía alrededor de 125 GeV en el canal difotónico (la desintegración de un Higgs en dos fotones, el canal más relevante en los análisis realizados en 2011). Por lo que parece, ya hay una señal del Higgs a 125 GeV con al menos dos sigmas de significación estadística. No habrá que esperar mucho para confirmar estos rumores, pues dentro de un mes conoceremos el resultado final (tras el análisis de al menos 4,5 /fb en ATLAS y CMS, por separado) en el congreso estrella del verano, ICHEP 2012. Más información sobre el rumor en Peter Woit, “High Drama,” Not Even Wrong, June 7, 2012.
La fecha tope (deadline) para la toma de datos de colisiones que podrán ser analizados para el congreso ICHEP, según Philip Gibbs, “LHC Prepares for ICHEP,” viXra log, June 10, 2012, ha sido este pasado fin de semana (10 de junio), lo que implica que se presentarán análisis con más de 5 /fb de colisiones en ATLAS y CMS. ¿Qué podemos esperar de la conferencia ICHEP de principios de julio? Por un lado, se extenderá el intervalo de exclusión actual para el Higgs por la parte de altas energías; en los análisis de 2011 con colisiones a 7 TeV el intervalo de masas estudiado está entre 110 y 600 GeV/c2, pero con las colisiones a 8 TeV durante 2012 se podrá excluir el Higgs en hasta una energía de 800 GeV/c2, es decir, esperamos que se excluya un Higgs en el rango de masas de 600 a 800 GeV/c2.
Por otro lado, se debería confirmar (o refutar) la señal observada el año pasado de un Higgs con un masa entre 124 y 126 GeV/c2. Y finalmente, se comprobará si el comportamiento inesperado del Higgs a 125 GeV/c2 en ciertos canales se refuta (como muchos tememos) o se confirma (lo que será muchos más interesante); se espera que se analice por primera vez un nuevo canal, la desintegración H → Z + γ (la desintegración de un Higgs en un bosón Z y un fotón). Sin lugar a dudas el resultado combinado LEP+Tevatron+LHC 7 TeV+LHC 8 TeV que se obtendrán con el software de Philip Gibbs dará información muy relevante sobre el Higgs con una significación estadística oficiosa de unas cinco sigmas (suficientes para proclamar de forma oficiosa un descubrimiento).
Más información sobre estos temas en Matt Strassler, “LHC Passes Milestone,” Of Particular Significance, June 11, 2012.
La última inyección de protones en el LHC, Fill #2692, ha sido la más larga y
luminosa de este año, con una duración de 22:44 horas, acumulando 0,246 /fb de
datos en CMS y 0,237 /fb en ATLAS, con lo que este año CMS ya tiene en disco
4,27 /fb y ATLAS 4,08 /fb de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. (LHCb y ALICE
han alcanzado 0,419 /fb y 0,00069 /fb, resp.). ¿Qué significan estos números
para la búsqueda del Higgs? Ya lo comenté ayer en Twitter, mientras ojeaba las
transparencias de las charlas de la conferencia Planck
2012 (From the Planck Scale to the Electroweak Scale), 28 May – 1 June 2012,
Varsovia, Polonia; aún así, habrá que repetirlo aquí, incluyendo figuras.
Como indica esta figura, la sensibilidad esperada en ATLAS para un Higgs con
125 GeV tras acumular 5 /fb de colisiones a 7 TeV es de 3 σ (sigmas de
significación estadística), más en detalle 2,9 σ con los 4,6-4,9 /fb de datos
acumulados en 2011 por ATLAS; la sensibilidad esperada no coincide con el
resultado observado, que para ATLAS en 2011 se redujo a 2,1 σ. En 2012 las
colisiones a 8 TeV implican un incremento del 10% en la significación
estadística para la búsqueda del Higgs y un 20% en la luminosidad, por tanto,
un descubrimiento del Higgs que 5 σ se espera que necesite acumular 12
/fb de colisiones (por ello, el objetivo del LHC para este año es
acumular al menos 15 /fb). Estos números corresponden a cada experimento (CMS y
ATLAS) por separado. Si se combinan los datos de 2011 a 7 TeV (unos 5 /fb) con
los de 2012 a 8 TeV, para lograr un descubrimiento a 5 σ se espera que serán
necesarios entre 7 y 8 /fb. Esta figura y comentarios están extraídos de la
charla de Michael Kobel (Dresden University of Technology on behalf of the ATLAS
Collaboration), “Recent Results from the ATLAS Experiment,” PLANCK 2012, 28 may
2012 [slides en pdf], quien a su vez los ha extraído de la de Eilam
Gross, “Lastest ATLAS results on SM Higgs searches / towards the combination,”
LHC2TSP CERN, 27 March 2012 [slides en pdf].
Resultados similares se estiman para CMS como muestra esta figura. El
análisis combinado de los 5 /fb de datos a 7 TeV acumulados en 2011, junto a los
5 /fb de datos a 8 TeV que se espera que estén disponibles dentro de una semana,
permitirá descubrir un bosón de Higgs a 125 GeV con una confianza estadística de
4 σ (casi 5 σ si acompañara la suerte y hubiera una fluctuación a favor de 1 σ,
y obviamente solo 3 σ si ésta fuera en contra, como ocurrió en 2011). La
combinación de los 5 /fb de datos de 2011 a 7 TeV junto con los 15 /fb de datos
a 8 TeV que se espera acumular en 2012 permitirá alcanzar una confianza
estadística de 6 σ y con algo de suerte casi de 7 σ. Esta figura está extraída
de la charla de Dmytro Kovalskyi (UCSB), “Highlights of Recent CMS Results,”
Planck 2012, 28 may 2012 [slides en pdf].
¿Se combinarán oficialmente los datos de 2011 y de 2012 tanto en ATLAS como en CMS? No lo sabemos, pero todo apunta a que no se hará para las conferencias de este verano. ¿Se combinarán oficialmente los datos de ATLAS y CMS? No en 2012, dado que ambos experimentos pueden descubrir por separado el Higgs este año, no merece la pena realizar una combinación de sus colisiones (como era la costumbre en el Tevatrón con CDF y DZero). Un descubrimiento independiente es la razón por la cual ambas colaboraciones trabajan de forma independiente con los mismos objetivos. Además, realizar una combinación ATLAS+CMS requiere consumir muchos recursos de computación y la prioridad ahora mismo es analizar nuevas colisiones. Todo el mundo espera que esta combinación se realice en el año 2013, cuando el LHC deje de tomar colisiones y pase a ser reparados para poder incrementar su energía hasta los 14 TeV c.m.
Obviamente, tendremos una combinación oficiosa gracias al software de Philip Gibbs, que nos permitirá combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS en 2011, y ATLAS y CMS en 2012. Por tanto, las figuras oficiales de más arriba nos indican fuera de toda duda que la publicación este verano de los datos de la búsqueda del Higgs con 5 /fb de datos a 8 TeV nos permitirá proclamar el descubrimiento oficioso del Higgs a 125 GeV (en su caso). Este verano promete ser apasionante para la caza del Higgs.
Viento en popa, a toda vela, no corta el mar sino vuela, un velero bergantín,
… El Gran Colisionador de Hadrones (LHC por Large Hadron Collider) está
logrando casi 1 /fb (inverso de femtobarn) de colisiones protón-protón a 8 TeV
c.m. por semana en 2012 y ya supera los 3 /fb en CMS y en ATLAS. Los datos son
enviados para su análisis en la WLCG (Worldwide LHC Computing Grid),
proceso que requiere cierto tiempo. Para el gran congreso de este verano, ICHEP
2012, la fecha que indica el “hasta aquí hemos llegado” se cumple dentro de dos
semanas, con lo que a este ritmo podemos esperar que allí se presenten el
análisis de la búsqueda del bosón de Higgs con unos 5 /fb tanto en CMS como
ATLAS, cumpliendo el objetivo marcado para este año. Son buenas noticias. La
inyección con haces estables en modo colisión más larga hasta ahora ha sido el
Fill #2651, que obtuvo colisiones durante 19:35 horas, acumulando 0,209 /fb en
CMS y 0,201 /fb en ATLAS. Ahora mismo la luminosidad instantánea es casi la
máxima que se logrará este año (como mucho se podrá mejorar en un 20% de aquí a
final de año), por lo que se espera acumular en 2012 algo más de 15 /fb por
experimento, pero sin llegar a alcanzar los 20 /fb. La clave por tanto es lograr
inyecciones con haces estables en modo colisión lo más largas posibles. La
última inyección Fill #2669 duró 08:13 horas, acumulando 0,132 /fb en CMS y
0,137 /fb en ATLAS. A esta hora del domingo (10:30 hora de Madrid) todavía no se
ha inyectado la Fill #2670.
¿Qué podemos esperar sobre el Higgs en ICHEP 2012? Aunque parezca mentira,
saberlo en detalle es imposible de predecir, pues la incertidumbre en las
predicciones teóricas sobre las colisiones a 8 TeV c.m. en el LHC son todavía
muy grandes (y solo llevamos unos meses acumulando datos para afinar los
modelos). Observar el Higgs no es tan fácil como tirar una moneda y ver si ha
salido cara o cruz. Así nos lo han contado en el Sixth LHC Higgs Cross Section Workshop, May 24-25, 2012, at
CERN.
El modelo estándar predice el número de Higgs que se producirán en una colisión protón contra protón a 8 TeV en función de ciertos parámetros (como la distribución de partones en un protón) que no sabemos calcular con precisión. La mejor manera de determinar estos parámetros es medirlos de forma experimental y ello requiere analizar muchas colisiones, pero estos análisis se realizan en paralelo con los correspondientes a la búsqueda del Higgs. Por tanto, puede pasar lo que ya pasó con la búsqueda del Higgs en el Tevatrón hace dos años, cuando al incrementar el número de colisiones analizadas el intervalo de exclusión del Higgs decreció en lugar de crecer.
Las estimaciones teóricas utilizando simulaciones por ordenador mediante métodos de Montecarlo presentan gran incertidumbre, con lo que el resultado depende del algoritmo utilizado (para la distribución de partones en un protón hay varios algoritmos, pero en el LHC se recomienda usar PDF4LHC; más información en Robert Thorne, “Parton Distributions,” 6th LHC Higgs Cross Sections, 25th May 2012, de donde he extraído la figura de arriba). Como muestra la figura, la sección eficaz σ(H), más o menos equivalente a la probabilidad de producción de un Higgs en una colisión, tiene un valor de σ(H) = 16,99 ± 1,66 ± 0,37 que presenta una incertidumbre cercana al 10% (un 7%). La figura (a la izquierda) también muestra como diferentes programas de Montecarlo predicen valores diferentes para la producción de un Higgs por fusión de gluones. La vida de los físicos que trabajan en el LHC no es fácil.
Estos detalles que pueden parecer de poca importancia son fundamentales a la hora de interpretar los resultados que se publiquen sobre el Higgs en el ICHEP 2012. Se observarán muy pocos bosones de Higgs y la comparación entre el número esperado y el observado tendrá gran incertidumbre. Por tanto, en rigor, incluso si la señal sobre un Higgs a 125 GeV se hace más clara, proclamar un descubrimiento temprano es arriesgado. A finales de año, todos los parámetros para realizar una estimación teórica correcta de las predicciones del modelo estándar a 8 TeV c.m. tendrá valores más precisos y la opinión general es que, con más datos y mejores ajustes entre teoría y experimento, ya se podrá proclamar oficialmente, en su caso, un descubrimiento.
Lo mismo pasa con las propiedades del Higgs. Mucha gente interpreta los datos publicados en diciembre sobre el Higgs como una señal de que no corresponde a la predicción del modelo estándar, aparecen excesos en algunos canales de desintegración y defectos en otros. Pero con los pies en la tierra no podemos todavía hablar de Higgs leptofóbicos y otras variantes, pues interpretar los resultados en estos canales es aún más arriesgado que interpretar su combinación. Lo mismo pasará en el ICHEP 2012. El análisis canal a canal de desintegración del Higgs mostrará excesos y defectos de origen puramente estadístico (tanto de las propias fluctuaciones de los datos como de nuestras estimaciones de las predicciones teóricas del modelo estándar). Una interpretación fiable canal a canal requerirá un análisis pormenorizado de todos los resultados que se obtengan en 2012 y quizás no se logre publicar hasta el verano de 2013.
Pero que nadie me malinterprete, aunque las incertidumbres sean mayores de
las que nos gustaría, acumulando datos de colisiones las técnicas de análisis
estadístico permitirán dar caza al Higgs fuera de toda duda. La figura de
arriba, extraída de Dave Charlton (University of Birmingham), representing
ATLAS, CMS, CDF and DZero, “Hunting the Higgs: The State of Play. Results from
the Tevatron and the LHC,” FPCP, Hefei, 24 May 2012, nos muestra cómo los datos de
colisiones en CMS a 7 TeV han ido redescubriendo el modelo estándar.
Estamos viviendo unos momentos apasionantes en la búsqueda del Higgs, pero no debemos olvidar las enormes dificultades que han de superar los miles de físicos que trabajan en el LHC. La analogía con buscar una aguja en un pajar no es buena, porque todo el mundo sabe diferenciar una aguja de una paja cuando la ve, pero no es nada fácil diferenciar entre una colisión con un Higgs y otra con ninguno.
Para los españoles la fecha es fácil de recordar. En el primer congreso
estrella de física de partículas de este verano, el ICHEP2012 que
se celebra en Melbourne, Australia, se anunciarán los nuevos resultados sobre la
búsqueda del Higgs en el LHC (tanto CMS como ATLAS) el sábado 7 de julio, entre
las 17:30 y 18:00 (hora de Madrid, en Melbourne será entre las 09:30 y las
10:00). Para dicha fecha se habrán analizado entre 4 y 5 /fb de datos de
colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. tanto en ATLAS como en CMS. Si estos datos
confirman la señal observada en diciembre de 2011 sobre un Higgs a 125 GeV/c²
podrían alcanzar una significación estadística por encima de 3 sigmas
(desviaciones típicas); la combinación de estos datos con los 5 /fb a 7 TeV c.m.
del año 2011, que no creo que se publique en julio de forma oficial, pero que
aparecerá de forma oficiosa, podría superar los 4 sigmas (recuerda que se
requieren al menos 5 sigmas para proclamar un descubrimiento). No creo que se
publique esta combinación de forma oficial hasta que cada experimento (CMS y
ATLAS) alcancen por separado las 5 sigmas. Por ello, en mi opinión a día de hoy,
la dirección del CERN esperará a diciembre (tras analizar más de 15 /fb de datos
a 8 TeV c.m. en cada experimento) para anunciar el descubrimiento del Higgs (en
su caso). Hay que recordar que el LHC no tiene competencia, salvo la interna
entre CMS y ATLAS, y por tanto no tienen prisa a la hora de realizar el anuncio
(siempre y cuando sea antes de febrero de 2013 para que haya muchas nominaciones
al Nobel sobre este resultado). Más información en Peter Woit, “Higgs
Update,” NEW, May 21, 2012;
El LHC del CERN sigue viento en popa con sus colisiones protón contra protón
a 8 TeV en el centro de masas de 2012. Anoche se batió un nuevo récord de
luminosidad integrada gracias a la inyección Fill #2644, con colisiones estables
durante 14:45 horas (desde las 13:56 de ayer hasta las 04:42 de hoy), que
acumuló 176,03 /pb (léase inversos de picobarn) de datos en CMS y 170,80 /pb de
datos en ATLAS (en LHCb se acumularon 20,56 /pb). Todo un récord que pronto será
superado. Durante este año ya se han acumulado 2,284 /fb (inversos de femtobarn)
en CMS, 2,079 /fb en ATLAS y 0,295 /fb en LHCb. El primer objetivo de este año
es alcanzar a finales de junio al menos 5 /fb de datos en CMS y ATLAS; a este
ritmo el LHC superará este reto a principios de junio. Enhorabuena a todos los
que trabajan en el LHC y sus experimentos, están realizando un gran trabajo. Las
conferencias de física de partículas de este verano (la estrella será el ICHEP 2012, 4-11 July
2012, Melbourne-Australia) prometen ser apasionantes; los nuevos resultados del
ICHEP 2012 sobre el Higgs serán discutidos en profundidad en el Higgs Hunting 2012, July 18-20,
2012, Orsay-France. Más información sobre todos los fills en LHC
Performance and Statistics.
A esta hora, 10:24, ya se ha inyectado el Fill #2645, se ha logrado que los
haces estén estables y se ha empezado a acumular colisiones (ver LHC
Dashboard y OP Vistas LHC Luminosity). Puedes seguir en vivo y en directo,
vía Twitter, el estado de las inyecciones siguiendo a Andrew Elwell (@LHCMode); los mensajes
del #LHC Machine Status corresponden al estado de la máquina que puedes ver en
el LHC
Dashboard (aquí abajo en el formato de solo la última hora).
En esta imagen (clickea en las figuras para ampliarlas), tomada a
las 10:14 horas se ve que el estado es SQUEEZE (se ajustan los haces para que en
los puntos de colisión cada uno se enfrenten uno contra el otro lo mejor
posible). Quizás conviene dar una pequeña explicación. En Twitter las nuevas
inyecciones se inician con un mensaje del tipo #LHC Machine Status: PROTON
PHYSICS: INJECTION PHYSICS BEAM (Fill #2645) 09:16, en este caso se trata de la
nueva inyección, Fill #2645; las líneas roja y azul corresponden a la intensidad
de los haces de protones (en este caso se han inyectado 1380 paquetes de
protones y la intensidad crece conforme los paquetes van siendo inyectados). Una
vez inyectados todos los paquetes de protones han de ser acelerados hasta los 4
TeV en la fase de rampa, que muestra la línea verde; primero hay que preparar
esta fase, #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: PREPARE RAMP (Fill #2645) 09:40,
y pocos minutos más tardes iniciarla #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: RAMP
(Fill #2645) 09:46; la rampa acaba cuando se alcanza un valor de energía
estable #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: FLAT TOP (Fill #2645) 09:58. A
partir de este momento hay que ajustar los haces para maximizar las futuras
colisiones en los diferentes puntos de colisión, este proceso se denomina
squeeze (algo así como “apretujado”), #LHC Machine Status: PROTON
PHYSICS: SQUEEZE (Fill #2645) 10:02. Finalizada esta fase se realizan los
últimos ajustes, #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: ADJUST (Fill #2645) 10:18,
tras los cuales los haces están estables y se pueden iniciar las
colisiones, #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: STABLE BEAMS (Fill #2645)
10:24. La imagen de abajo corresponde a las 10:26 y muestra en amarillo que,
tras tres minutos de haces estables, ya ha se han acumulado colisiones en ATLAS,
CMS y LHCb.
¿Logrará el Fill #2645 un nuevo récord? Habrá que estar atentos.
PS: No ha podido ser. A las 10:54 el LHC dejó de estar en modo colisiones, #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: BEAM DUMP (Fill #2645) 10:54 y se dio por finalizado el Fill #2645; hay que hacer una rampa hacia abajo (#LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: RAMP DOWN (Fill #2646) 11:00) y luego prepararse para la siguiente inyección (la Fill #2646). En las LHC News suelen explicar por qué ha ocurrido el dump de los haces; hoy sábado, a las 12:32, todavía no han explicado lo ocurrido con el Fill #2645; a las 12:34 ya están preparados para iniciar la rampa de la inyección Fill #2646. Lo dicho, a disfrutar del sábado…
PS (20 mayo 2012): El dump del Fill #2645 fue debido al disparo espurio de los sistemas de protección (“BLM L1 spurious trigger … difficult to stay politically correct“). El Fill #2646, con haces estables durante 16:06 horas, el más largo de 2012, ha logrado un nuevo récord de luminosidad integrada, con 194 /pb de datos acumulados en CMS y con 188 /pb en ATLAS.
Hay noticias importantes en física de partículas que seguramente no rellenan
los titulares de los medios pero que en este blog no podemos olvidar. El
descubrimiento de una nueva resonancia de un barión (formado por tres quarks) es
muy importante a la hora de realizar estudios de precisión del modelo estándar.
El experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, tras
analizar 5,3 /fb de colisiones a 7 TeV durante 2011 ha descubierto con una
significación estadística de 5 sigmas un nuevo estado excitado de un barión usb
llamado Ξ*b0, cuya masa es 5945,0 ± 2,8 MeV. El
estado fundamental del barión neutro Ξb0, formado por un
quark fondo (b), uno extraño (s) y uno arriba (u), ya había sido observado, pero
la teoría predice múltiples estados excitados. El primero en ser observado
es Ξ*b0 (con JP=3/2+) que
se ha resistido a su detección porque decae muy rápidamente en partículas más
ligeras (una cascada con un protón, dos muones y tres piones). No es fácil
relatar el alarde técnico que requiere realizar esta detección en las colisiones
protón contra protón en el LHC. Más información en “Observation of a new Xi_b
beauty particle,” CMS News, siendo el artículo técnico CMS
Collaboration, ”Observation of an excited Xi(b) baryon,” Submitted on 26
Apr. 2012, arXiv:1204.5955.
El Gran Colisonador de Hadrones (LHC) del CERN está funcionando a las mil
maravillas con las colisiones a 8 TeV en el centro de masas (colisiones de dos
haces protones cada uno con una energía de 4 TeV). Las últimas colisiones han
utilizado 1380 paquetes de protones por haz, lo que implica un récord de
luminosidad instantánea de 5,6 × 10³³ /cm²/s. Este fin de semana habrá una
parada técnica de las colisiones durante un par de días, pero el experimento CMS
ya ha recibido más de 1 /fb de colisiones, como muestra la imagen que abre esta
entrada, aunque en disco han grabado algo menos, como muestra de más abajo.
ATLAS tendrá que esperar a la semana que viene para lograrlo (aunque es posible
que ya lo hayan logrado pero no se sepa pues cambiaron algo en el sistema de
medida y estimación de la luminosidad). Todavía no estamos en mayo, lo que
implica que será fácil que a finales de mayo se haya cumplido el objetivo
marcado para principios de junio, acumular al menos unos 5 /fb de colisiones;
este objetivo permitirá que en las conferencias de verano (julio y agosto) se
presenten nuevos resultados en para la búsqueda del Higgs y de la
supersimetría.
Más información en Tommaso Dorigo, “One Inverse Femtobarn Pocketed Already,”
AQDS, April 20th 2012.
Por cierto, si te interesa saber qué significa que los protones colisionan con una energía de 8 TeV en el centro de masas, nos lo cuenta Vivek Jain, “What does 8 TeV mean?,” ATLAS Experiment Blog, April 11, 2012.
Ahora que estamos en plena resaca del descubrimiento del Higgs en el LHC podemos preguntarnos ¿Qué es el Higgs?. Hay magníficas entradas al respecto en muchos blogs que han tratado de explicar el Higgs y su descubrimiento, valgan como ejemplos:
CERN
encuentra el bosón de Higgs en Conexión Causal
Confirmado:
El CERN encuentra el bosón de Higgs en Hablando de ciencia
En esta entrada vamos a intentar explicar qué es
el Higgs, para qué es necesario y qué problemas resuelve. Intentaré hacer una
discusión simple, posiblemente no tan precisa como las entradas anteriores, pero
que deje entrever la importancia de este descubrimiento.El modelo estándar
Como hemos dicho en varias ocasiones el modelo estándar es la mejor explicación que tenemos sobre la mesa sobre las propiedades e interacciones de las partículas elementales.Este modelo se construye sobre la base de dos ideas:
- Hay cantidades conservadas como la energía, el momento, el número leptónico y bariónico, etc.
- Las interacciones son debidas a la imposición de una cosa que se conoce como simetría gauge. En este blog hemos discutido sobre qué es una teoría gauge de forma visual en esta entrada: Gauge esto, Gauge lo otro… ¿qué es una teoría gauge?
La importancia de esta idea de simetría gauge es enorme y se puede resumir en los siguientes puntos:
- Como es conocido, porque se habla mucho por ahí, las teorías físicas sobre partículas elementales se empeñan en darnos infinitos que molestan un poco. Pues bien, las teorías que permiten eliminar estos infinitos son precisamente las que tienen simetría gauge.
- Además al imponer la simetría gauge a una teoría esta nos regala dos cosas. Por un lado nos identifica las cargas de las distintas interacciones, por ejemplo nos dice que la interacción electromagnética es debida a dos cargas que llamamos eléctricas positivas o negativas. Pero es que además nos dice que las interacciones tienen que existir.
Las sorpresas del modelos estándar
Para empezar el modelo estándar identifica tres interacciones que se pueden formular como teorías gauge:- El electromagnetismo que se da entre cargas eléctricas.
- La interacción débil que se da entre distintos tipos de partículas. Es decir esta interacción cambia una partícula en otra. Por ejemplo puede cambiar un quark d en un quark u.
- La interacción fuerte que a niveles fundamentales se da entre quarks y es debida a tres cargas que llamamos color y son el azul, el verde y el rojo.
- Cada interacción tiene una o varias partículas cuyo intercambio produce la interacción.
La sorpresa viene de dos lados:
- Al imponer la simetría gauge las partículas del modelo estándar tienen que ser todas partículas sin masa en reposo. Es decir, todas se moverían a la velocidad de la luz. Si en la teoría forzamos a que las partículas tengan masa la simetría gauge deja de funcionar.
- Además a una determinada energía (100GeV) el electromagnetismo y la interacción débil son la misma interacción, esto quiere decir que fotones y bosones W y Z tienen el mismo comportamiento. Este es un ejemplo de unificación.
El problema es:
¿Hay alguna forma de romper la igualdad entre electromagnetismo e interacción débil de forma que se preserve la simetría gauge y además obtengamos masas de las partículas que sabemos que la tienen?
La solución está en el Higgs
La clave de este asunto es notar que hay un ingrediente del que no hemos hablado, el campo de Higgs. Lo maravilloso de este campo es que a determinada energía es totalmente insensible al resto de campos (fotones, bosones W y Z, electrones, etc). Esto se traduce en que la situación es simétrica, lo que quiere decir que fotones, partículas W y Z se comportan de la misma manera.Sin embargo, al bajar la energía del universo el campo de Higgs rompe la simetría. Una idea pedestre de esto la podéis encontrar aquí:
Y una discusión algo más formal aquí:
La idea es simple:
- A altas energías el Higgs tiene una energía alta pero el valor del campo es nulo. Es decir, el campo vale cero y por tanto el resto de partículas no pueden interactuar con él.
- Cuando baja la energía del universo el Higgs ya no puede estar en esa energía alta porque es inestable y decae a un valor donde el campo deja de ser nulo (aparecen bosones de Higgs) y su energía va a su mínimo.
Cuando el Higgs baja a su estado de mínima energía
aparece un valor no nulo del campo. Pero este valor se puede elegir de forma
“aleatoria”. Este proceso se conoce como rotura espontánea de la
simetría.
Cuando el Higgs toma un valor determinado aparecen los bosones de Higgs. Resulta que esto es justamente lo que se necesita para que la simetría gauge siga funcionando. Pero es que además debido a las interacciones del Higgs con las partículas con carga débil no nula estas partículas adquieren masa.
Así que esto soluciona dos problemas. Por un lado la simetría gauge se preserva aunque tengamos partículas con masa. Pero por otro debido a que ahora el bosón W y el Z tienen masa ya no se comportan como el fotón. Así que hemos diferenciado la interacción débil y la interacción electromagnética. Este mecanismo se puede extender a otras partículas.
Masa ¿qué masa?
Cuando aquí hablamos de masa nos estamos refiriendo a la masa inercial, es decir, a la característica física que nos dice cuan de fácil o difícil resulta acelerar una partícula. El modelo estándar no trata la gravedad así que en primera instancia esta masa no tiene nada que ver con la gravitación.Hemos de recordar que la física de partículas está formulada en términos de relatividad especial, esta teoría es de un espacio plano donde la gravedad no tiene nada que decir.
¿Y ahora qué?
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Estás más delgado
El Higgs parece que tiene una masa de 125GeV y esto es un problema. En el blog lo hemos tratado varias veces, el problema de la Jerarquía. En vista de la física conocida uno tendría la idea de que el Higgs tiene que ser una partícula más gorda y sin embargo ha aparecido muy ligera (comparada con la escala de Planck de energía o masa).Para explicar por qué el Higgs pesa menos (mucho menos de lo esperado) tenemos que recurrir a otros modelos teóricos. Una posible solución a este problema es que existan partículas supersimétricas que aún no han sido vistas en los aceleradores de partículas o la existencia de dimensiones extra, que están en la misma situación experimental.
El Higgs no se marea
Encontrar el Higgs ha supuesto otra satisfacción para los físicos. Como hemos comentado varias veces las partículas elementales tienen una característica denominada espín.El espín es una cosa intrínseca de las partículas cuánticas que muchas veces se presenta como un giro alrededor de un eje considerando la partícula como una bolita (este ejemplo es muy malo pero visualmente muy seductor).
El espín puede tener distintos valores, 0
, 1/2 , 1, 3/2 … En el modelo estándar tenemos partículas de espín 1/2, de espín (o
helicidad) 1, etc, pero no teníamos ningún campo fundamental con espín 0. Esto
es lo que se conoce como campo escalar en términos técnicos. La presencia del
Higgs es una prueba de que este tipo de campos existen.Esto es importante porque muchas teoría dependen de la existencia de campos con espín 0, por ejemplo la teoría de la expansión inflacionaria del universo se basa en la presencia de un campo de espín 0. Además este tipo de campos aparecen en muchas ramas de la física teórica como en la teoría de cuerdas y es bueno saber que este tipo de campos y partículas existen realmente. Aunque esto no prueba la existencia de otros campos con espín nulo como los necesarios para causar la inflación cósmica (expansión acelerada del universo en los primeros instantes) al menos nos motiva para seguir buscando.
El Higgs para niños
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Se ve que tenemos entre nosotros una nueva partícula elemental, el bosón de Higgs. Por mucho tiempo se ha hablado de esta partícula, se han dado mil explicaciones divulgativas y las que tienen que venir a partir de ahora. Así que vamos a intentar dar una explicación lo más fácil posible de esto del Higgs.
¿Masa?
La teoría que tenemos para describir la física de partículas elementales es el conocido Modelo Estándar. En este modelo las partículas se empeñan en no tener masa, es decir, que cuando le preguntamos al modelo por la masa de las partículas nos responde que ninguna tiene masa y que, por lo tanto, todas se mueven a la velocidad de la luz.Ooooohh, esto no es nada bueno porque vemos a nuestro alrededor que los electrones, los muones, los neutrinos, los quarks, tienen masa. Por otro lado tenemos partículas como los fotones que se mueven a la velocidad de la luz y eso implica que su masa en resposo es nula.
La masa en reposo es la masa que mediría un observador que viera la partícula que quiere medir quieta respecto a él. El fotón se mueve a la velocidad de la luz, y la relatividad especial nos dice que eso implica que cualquier observador (inercial, que se mueve en línea recta y a velocidad constante) lo ve moverse a esa velocidad en cualquier situación. Es decir, que el fotón no está en reposo para nadie. Eso se traduce en decir que su masa en reposo es nula.
Entonces tenemos un problema porque en la naturaleza tenemos partículas con masa (no nula en reposo) y partículas sin masa (en reposo) y el modelo estándar nos dice que todas las partículas tienen que pertenecer al segundo caso.
¿Higgs?
Lo que propuso Peter Higgs (junto a otros científicos) es que existiría una partícula no descubierta que tendría las siguientes propiedades:En principio es una partícula a la que le gusta relacionarse (interactuar) con electrones, quarks, muones, neutrinos, bosones W y Z, etc. Sin embargo, mantiene una clara indiferencia hacia partículas como el fotón. Este comportamiento hace que una partícula que se relacione con la partícula de Higgs tenga una masa en resposo no nula y una partícula que no se relacione con la partícula de Higgs simplemente se mueva a la velocidad de la luz y por tanto podemos decir que tiene masa en resposo nula.
La teoría de Higgs soluciona este problema de la masa en el modelo estándar.
¿Cómo proporciona el Higgs masa a unas partículas y a otras no?
Hagamos una analogía (y como analogía se tiene que entender que no responde a todos los detalles técnicos de la teoría física que intentamos emular con el ejemplo pero al menos intentaremos que se pueda entender la idea detrás de esta teoría).Estamos en el colegio, el día de la fiesta de fin de curso, el patio del cole está repleto de niños a primera vista parecen incontables—> Los niños son el Higgs.
En un momento dado aparezco yo en la puerta del colegio y quiero ir hacia la bonita barra que hay justo al otro lado del cole donde podemos comprar un bocadillo y una Fanta. Así que ni corto ni perezoso me dispongo a ir hacia la barra. Dado que ningún niño me conoce (mi sobrina está sobre el escenario haciendo de Olivia Newton John) paso sin problemas entre la chavalería hasta la barra. Es decir, no sufro interacciones y no tengo ningún motivo para reducir mi velocidad. En este caso se podría decir que no tengo masa en ese colegio.
A los 10 minutos aparece en la puerta del colegio
Iker Casillas deseando tomar un bocata de tortilla en la barra. El revuelo es
inmediato y se forma un tumulto a su alrededor, los niños se arremolinan
alrededor del bueno de Casillas y este avanza muy muy lento desde la puerta
hasta la barra. Se podría decir que Iker tiene una masa muy grande en ese
colegio.Esto, grosso modo, es el mecanismo de generación de masa producida por el Higgs. Siguiendo la analogía, los niños en el patio del colegio serían las partículas de Higgs, yo sería un fotón que no interactúa con el Higgs y por tanto viaja a la velocidad de la luz (no tiene masa en reposo) y Casillas sería una partícula pesada, por ejemplo el bosón Z ya que interactúa mucho con las partículas de Higgs.
6 julio 2012
El bosón de Higgs encontrado en el LHC y su relación con la supersimetría
Creo que hay recordar las dos opciones posibles a día de hoy. La primera es que se haya descubierto el bosón de Higgs H y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs h con una masa más pequeña (bastante menor de 125 GeV). La segunda opción es que se haya descubierto el bosón de Higgs h y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs con una masa mucho más grande (bastante mayor de 125 GeV). La opinión general de los expertos es que, tras 20 años buscando al Higgs por debajo de 115 GeV en LEP2 sin encontrarlo, la opción correcta debe ser la segunda. Es decir, si la SUSY se observa a baja energía en la escala alcanzable por el LHC del CERN, hay que seguir buscando un segundo bosón de Higgs con una masa mayor de unos 560 GeV (por debajo ya ha sido excluido que exista por los datos publicados el pasado 4 de julio). Por supuesto, si la SUSY no se da a baja energía (o a una escala alcanzable en el LHC), es imposible saber si el bosón descubierto el miércoles pasado es el Higgs del modelo estándar o el Higgs h supersimétrico, pero como no importa la diferencia, porque no la hay, la navaja de Ockham nos exige hablar de Higgs del modelo estándar (hasta que no se descubra alguna otra partícula de Higgs o supersimétrica).
¿Cómo se pueden producir en una colisión del LHC los bosones h, H y A? Exactamente de las mismas formas que se puede producir el Higgs SM, es decir, el 90% se producirá por fusión de gluones vía tres quarks top virtuales (los bosones de Higgs cargados se producirán de otra forma, pero no importa). ¿Cómo pueden observarse? Igual que el Higgs SM para los bosones h y H, pero en ciertos canales solo para el A.
¿Se están buscando los bosones de Higgs SUSY en el LHC? Sí, por supuesto, pero aún no han sido encontrados. Ver, por ejemplo, para los bosones MSSM en CMS las transparencias de la charla de Christian Veelken (CMS), “Search for Higgs Particles in MSSM SUSY,” ICHEP 2012, 6th July, y para otros modelos NMSSM la de Jim Olsen (CMS), “Beyond MSSM Higgs @ CMS,” ICHEP 2012, 6th July.
¿Puede resolver la SUSY todos los problemas que resuelve incluso si el LHC no la encuentra? Todos no, pero yo diría que casi todos y los que no resuelve, pues se siente, no los resuelve y punto. La SUSY no es la solución a todos los problemas del Modelo Estándar y si alguno de los problemas que podría resolver no lo resuelve pues no pasa nada.
¿Pero no dicen que la SUSY es “natural” y que el SM no lo es? Sí, lo dicen, pero seguirá siendo igual de natural incluso si ninguna superpartícula es observada en el LHC. Ver, por ejemplo, Xerxes Tata (Univ. Hawaii), “Natural Supersymmetry,” ICHEP 2012, 6th July. El asunto de la naturalidad ha estado muy de moda en la década de los 2000, pero en la década de los 2010 ya ha pasado de moda. ¿La física tiene modas? Como toda actividad humana.
No sé si le he aclarado las ideas a alguien o por el contrario las he liado más, pero bueno, lo siento en este último caso.
Duro varapalo al Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”) en el segundo día del ICHEP 2012
5 julio 2012
El día del Higgs 2: “Solo es el comienzo del estudio de la física del bosón de Higgs”
Evento H → ZZ* → 4μ observado en ATLAS y candidato de
libro a Higgs.
Evento H → ZZ* → 4e observado en ATLAS y candidato de
libro a Higgs.
Evento H → ZZ* → 2μ2e observado en ATLAS y candidato de
libro a Higgs.
En resumen, se ha descubierto un bosón escalar neutro que tiene toda la pinta de ser el bosón de Higgs y que mientras nadie demuestre lo contrario podemos afirmar con rotundidad que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Yo veo bastante claro que cuando se analicen con datos de 2012 los canales que faltan la señal será aún mucho más clara.
PS: En mi entrada en Amazings.es “El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs,” 4 julio 2012, escrita junto a Mario Herrero la hora después del anuncio en el CERN, dije que “No me gusta presumir, pero creo que debo recordar que en septiembre de 2011, en mi charla en Amazings Bilbao, predije que el Higgs sería descubierto en julio o agosto de 2012. Mi predicción no requería ninguna bola de cristal, solo mi absoluta confianza en el buen hacer de los miles de científicos que trabajan en el CERN y en sus grandes colaboraciones CMS y ATLAS. Miles de personas que han trabajado duramente durante dos años para brindarnos a toda la comunidad científica uno de los resultados más esperados y más importantes de las últimas décadas.”
En uno de los comentarios un tal clos dijo: “Sí que me gustaría añadir una cosa. Para gustarle poco presumir, la verdad es que Francis presume bastante. Menudo logro, predijo que sería descubierto en julio o agosto. Aunque quizá tendría más mérito si hace unos días no hubiera predicho también lo siguiente: El anuncio no será más gordo que el de diciembre de 2011.” Mi contestación fue la obvia en estos casos: “Gracias, clos. Tienes razón, presumo bastante. Presumo hasta de presumir.”
Quizás debo aclarar este asunto en mi propio blog, pues no merece la pena aclararlo en Amazings.es. Mi opinión previa al anuncio del CERN asumía que no se iban a combinar los datos de 2011 y de 2012. Como aparece muy claro en esta entrada y en mi anterior entrada sobre CMS, solo los datos de 2012 no permiten asegurar un anuncio de descubrimiento ya que la significación estadística local supera por poco las 4,0 sigmas. Además, en el anuncio de diciembre de 2011, la dirección del CERN le dio mucha importancia a la confianza (o significación) estadística global, por lo que fue un anuncio muy pesimista, y yo pensé que también harían lo mismo en el nuevo anuncio del 4 de julio. Me equivoqué en ambas cosas. Se han combinado los datos de 2011 y 2012 lo que ha permitido superar cinco sigmas locales, y además se ha preferido no mencionar que las sigmas globales todavía están lejos de un descubrimiento. Por supuesto, la combinación no oficial viXra de Philip Gibbs con los datos actuales LHC 2011, LHC 2012, Tevatrón y LEP 2, permite asegurar un descubrimiento con más de cinco sigmas globales. Quizás la dirección del CERN ha cambiado de opinión y/o costumbre para evitar el efecto “blogosfera” de la combinación viXra. Aunque lo más seguro es que la garantía de que el Higgs no se encuentra por debajo de 600 GeV con más de cinco sigmas locales, salvo en el intervalo alrededor de 125,5 GeV, haya sido suficiente para justificar el cambio de opinión.
En cualquier caso, lo que debemos tener muy presente es que la dirección del CERN habla del descubrimiento de un bosón escalar que puede ser el Higgs, pero que aún hay que recabar más datos. Lo que quieren decir es que hay que analizar más canales de desintegración ya que debido a que la confianza estadística global en el descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar todavía no alcanza las cinco sigmas según los datos publicados oficialmente (aunque sí en los oficiosos). En unos meses, con toda seguridad en diciembre de 2012, ya habrá datos suficientes para confirmar de forma “definitiva” que se trata del Higgs. Por cierto, nunca se puede decir de forma “definitiva” en física. ¿Es el quark top observado el quark top de la tercera generación de partículas según la QCD? La verdad es que tras 17 años todavía se siguen estudiando sus propiedades y se sigue comprobando si coinciden con las que tiene que tener. Todavía, aunque poca gente duda de que no sea la partícula que tiene que ser.
¿Realmente podemos confiar en las combinaciones oficiosas de Philip Gibbs? Su hipótesis sobre el comportamiento de los errores (seguir una distribución normal o gaussiana). Cuanto más colisiones se consideran, gracias a la ley de los grandes números, más confianza tienen estas combinaciones. Abajo tenéis la única combinación oficial ATLAS+CMS publicada hasta el momento (finales de agosto de 2011) y cómo se compara con la combinación oficiosa (curva roja). Sobran más comentarios (pero si queréis más podéis consultar esta entrada de viXra).
4 julio 2012
El día del Higgs: “Lo tenemos, aunque como científico solo puedo decir que hemos visto algo”
La gran noticia del día de hoy ha sido el
descubrimiento del bosón de Higgs. Desde el CERN ha provocado un gran revuelo en
toda la prensa científica del mundo y en la web. Yo os la he contado en directo
en Amazings.es junto a Mario Herrero (@Fooly_Cooly): “Sigue en directo la Conferencia sobre el Higgs comentada y
explicada por nuestros físicos” (recomiendo los comentarios) como en una
breve nota de prensa “El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs.” Ambos
hemos disfrutado mucho hoy pues los grandes descubrimientos de la física de
partículas, una labor colaborativa, se disfrutan más compartidos. Por cierto,
tenéis que ver esta entrevista (subtitulada) a Peter Higgs en lainformacion.com. Trataré de resumir lo que ha
pasado hoy, aunque hay tantos blogs y tantas fuentes de información en la web
que me es imposible hacerlo mejor que lo que ya está hecho por ahí. Aún así, ahí
va…
En el canal difotónico se han clasificado los
eventos en varios tipos diferentes (Untagged 0, 1, 2, 3 y Di-jets). Esta figura
muestra el ajuste de los datos con las predicciones del modelo estándar,
realmente muy bueno (mejor de lo que se había observado en diciembre de 2011).
El resultado es que la tasa de desintegración (sección eficaz) para este canal
es poco mayor pero compatible con la predicha por el modelo estándar, en
concreto σ/σSM = 1,56 ± 0,43 × SM. Este resultado indica que es muy
probable que el bosón observado sea un Higgs, aunque para asegurar que sea el
predicho por el modelo estándar hay que estudiar cómo se desintegra en otros
canales.
Esta figura es una de las más espectaculares que
hemos observado esta mañana y provocó un clamoroso aplauso en toda la sala. De
hecho, en el webcast de esta mañana la pusieron tan poco tiempo (para filmar a
la gente aplaudiendo y al conferenciante muy contento) que casi no me dio tiempo
a leer el resultado y tuve que preguntar a Mario y a Javier que me aseguraron,
como en los buenos partidos de fútbol que fue gol, un golazo. La significación
estadística del canal difotónico (4,1 sigmas) combinada con la del canal
ZZ->4l (3,2 sigmas) resulta en… tatachín, tatachán, cinco sigmas, 5 σ, de
significación estadística para un bosón de Higgs (esto es algo mayor de lo
esperado, que eran solo 4,7 sigmas).
Un resultado espectacular. La verdad es que esta
figura merecía el clamoroso aplauso y no me resisto a poner aquí este trocito de
transparencia. El canal WW da una señal mucho menos clara, pero que también
apunta a un Higgs con la misma masa, con lo que la confianza estadística final
de CMS sube un pelín más hasta 5,1 sigmas.
Pero todo no puede ser perfecto. El canal H->tau
tau muestra un claro déficit respecto a las expectativas para un bosón de Higgs
con 125 GeV, como muestra esta figura. La curva negra continua pasa por la curva
roja (no existencia del Higgs) alejada a casi 2 sigmas de la curva negra a
trazos discontinuos (existencia del Higgs). Obviamente, la curva negra está por
encima de la unidad, luego este canal aún no es lo suficientemente sensible como
para excluir un Higgs. Habrá que estar muy atentos a la evolución de este canal,
el gran disidente.
Tras considerar este último canal con todos los
demás, la confianza estadística baja a 4,9 sigmas, lo que es prácticamente lo
mismo que 5,0 sigmas y por tanto podemos proclamar el descubrimiento de un
Higgs. Sin embargo, el canal disidente está ahí y desde la dirección del CERN se
ha tomado la decisión de afirmar que aún no podemos asegurar con rotundidad que
se trata del Higgs del Modelo Estándar. Todos los demás canales estudiados (muy
poquitos, por cierto), indican que sí se trata de la ansiada partícula y solo el
canal con mayor incertidumbre apunta en contra, pero así es la dirección del
CERN. Ya sabéis que “se acepta pulpo como animal de compañía.”
¿Cuál es la masa del bosón de Higgs según CMS? Esta
figura muestra el mejor ajuste combinado a todos los canales, que conduce a una
masa de 125,3 ± 0,6 GeV (que coincide bastante bien con el valor obtenido por
Philip Gibbs de forma oficiosa 125,5 GeV).
¿Se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar?
Todavía es pronto para poderlo asegurar de forma rotunda y la cociente σ/σSM =
0,80 ± 0,22, que es compatible con la hipótesis de que sea igual a la unidad.
Realmente debemos recordar que los canales menos sensibles son los que difieren
más con respecto al Higgs del Modelo Estándar, como muestra la siguiente
figura.
Mañana os comentaré los resultados de ATLAS. Lo siento pero lo tengo que dejar aquí por ahora…
3 julio 2012
Los canales de desintegración en los que se busca al bosón de Higgs en el LHC del CERN
Más en detalle, el diagrama nos muestra que el 57% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de quarks bottom y anti-bottom (canal bb), el 3% de las veces en un par de quarks charm y anti-charm (canal cc), y el 9% en dos gluones (canal gg). Estos tres modos de desintegración, casi el 70% de las veces, son imposibles de observar en las colisiones acumuladas hasta hoy en el LHC porque su relación señal/ruido es muy mala (los quarks y gluones se hadronizan formando chorros que se confunden fácilmente con los chorros del ruido de fondo en las colisiones). Si el Higgs tuviera una masa cercana superior a 350 GeV (dos veces la masa del quark top), lo más probable es que se desintegrara en un par de quarks top y anti-top, pero para un Higgs con una masa menor que la de este quark este canal tiene un probabilidad muy baja, aunque al ser el quark con más masa es con el que está más acoplado (de hecho, el acoplamiento es igual a la unidad con un error de 1%). El canal bb podrá ser observado en el LHC dentro de unos años, en especial en el experimento LHCb. En el Tevatrón del Fermilab este canal es mucho más fácil de estudiar para la incertidumbre experimental es alta y su sensibilidad a la masa del Higgs es baja, teniendo un error de unos 15 GeV para un Higgs de 125 GeV.
El diagrama de tarta también muestra que el 21% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de bosones vectoriales WW, el 3% en un par de bosones ZZ y el 6% de en un par de leptones tau. Estos canales, aunque son claves para saber si se trata del Higgs del modelo estándar o uno de sus primos, también presentan una relación señal/ruido mala (aunque no tan mala como los anteriores), porque estas partículas de alta masa la mayoría de las veces se desintegran en quarks y gluones que también forman chorros hadrónicos y se confunden con el ruido de fondo. ¿Por qué son canales clave entonces? Porque no siempre se desintegran de esta forma y a veces lo hacen en leptones cargados y los detectores del LHC están optimizados para observar muones y electrones con gran sensibilidad, sobre todo muones. Por ello, estos modos de desintegración que acaban en leptones cargados, aunque muy poco probables, son fundamentales para la búsqueda del Higgs cuando estos bosones vectoriales se desintegran a su vez en leptones.
Finalmente, los dos canales estrella son muy poco probables, alrededor del 0,2 % de las veces, pero son mucho más fáciles de observar que todos los anteriores y son los que presentan una señal más clara de un Higgs. Por un lado, la desintegración en dos fotones (el canal clave para la charla de mañana miércoles y el responsable de todos los rumores, tanto en diciembre de 2011 como ahora mismo) y por otro la desintegración en un Z y un fotón, que mañana no nos ofrecerá ninguna información importante, pero que será fundamental en los anuncios sobre el Higgs para diciembre de este año y el próximo año.
El canal difotónico presenta un ligero exceso respecto a las expectativas para el bosón de Higgs del modelo estándar (como muestra la figura oficiosa de viXra) que ha sido interpretado por muchos como una indicación de que el Higgs que se está observando no es el predicho por el modelo estándar mínimo. Sin embargo, teniendo en cuenta que el exceso es pequeño, puede que sea debido a una fluctuación estadística en contra. Habrá que estar atentos mañana a si este exceso se confirma (como muchos rumores apuntan) o por el contrario disminuye (como algunos esperamos).
Mañana, a partir de las 08:30 hora de Madrid comentaré en directo vía chat en Amazings el anuncio del CERN junto a Mario Herrero (“Mañana sigue en directo desde Amazings.es la Conferencia sobre el Higgs comentada y explicada por nuestros físicos,” Amazings.es). Si te apetece síguenos allí para conocer todos los detalles en tiempo real.
Habrá colisiones en el LHC hasta mediados de febrero de 2013
¿Por qué se hace esto? La idea es impedir que los físicos que desarrollan algoritmos de análisis de los datos sesguen sus algoritmos para optimizar la señal de un bosón de Higgs que puede que no esté en los datos. Así se evita la tendencia humana, muchas veces de forma subconsciente, a optimizar los parámetros de los algoritmos para que la señal que creemos que está allí se vea con más claridad. No viendo esta señal es imposible realizar este proceso y solo se puede optimizar los algoritmos utilizando el fondo predicho por el modelo estándar, que se observa en la figura por debajo de 110 y por encima de 140 GeV.
Lo más interesante de esta figura no es lo que no se ve, sino lo que se ve el título de la misma. Se han combinado todas las colisiones de 2011 y de 2012, lo que indica que mañana miércoles en el CERN nos contarán los resultados de la búsqueda del Higgs con todos los datos disponibles, más de 10 /fb de datos.
Rumores en Nature sobre el anuncio de mañana de un posible Higgs observado a unas 4,5 sigmas en el LHC del CERN
PS: Creo que os interesará leer “El CERN anunciará
el descubrimiento de una partícula, pero no puede confirmar que sea Higgs, según
Nature,” lainformacion.com, 03 julio 2012. “La revista Nature publica
una filtración del CERN a 24 horas del anuncio oficial de los resultados de los
experimentos CMS y ATLAS. Como
informaba lainformacion.com, no hay confirmación oficial del hallazgo de
Higgs y habrá que esperar a diciembre. Lo que presentará el CERN en la esperada
conferencia del 4 de julio será el hallazgo una partícula completamente nueva
fruto del análisis de las últimas colisiones de los experimentos CMS y ATLAS, en
el LHC. Pero, como adelantaba
lainformacion.com, se necesitarán más datos para confirmar que se trata
del bosón de Higgs. Se
trata de una cuestión de definiciones, y aún falta conocer cómo lo anunciará la
dirección del CERN. Para saber más: “El CERN cantará Bingo pero no será el ‘Gran
Bingo’,” lainformacion.com, 02 julio 2012.
28 junio 2012
La teoría electrodébil, el bosón de Higgs y su historia
Mucha gente que afirma a la ligera que el bosón de Higgs podría no existir (e
incluso que de hecho no existe) no tiene ninguna duda sobre la unificación
electrodébil. Creen a pies juntillas que el electromagnetismo y la interacción
débil están unificadas a alta energía, aunque no exista el bosón de Higgs. Esta
contradicción es curiosa, pues sin el campo de Higgs la unificación electrodébil
se hunde en el fango (la teoría no es renormalizable). A baja energía la
interacción electromagnética y la débil son muy diferentes entre sí; la
constante de acomplamiento electromagnética, α, es mucho mayor que la débil, sea
α/(MW)2 o α/(MZ)2, ambas están
gobernadas por la misma constante adimensional α, siendo la única diferencia que
los bosones vectoriales W y Z tienen masa y el fotón no la tiene. A alta energía
la interacción electrodébil unifica ambas fuerzas imponiendo una simetría que
afirma que Mϒ=MZ=MW (en realidad estas
partículas a alta energía reciben como nombres A y B, pero esto es un detalle
menor). El campo de Higgs es el encargado de romper esta simetría a una energía
v=246 GeV y separar el comportamiento del fotón y los bosones W y Z. El bosón de
Higgs es consecuencia natural del campo de Higgs. Que alguien piense que no
existe el bosón de Higgs, pero sí el campo de Higgs, en mis cortas miras, es muy
poco natural. Obviamente, hay muchas propuestas teóricas, retruques técnicos
para evitar lo natural, pero cuántas de ellas son renormalizables; quizás, la
teoría correcta no tenga que ser renormalizable, pero muchos de lo que afirman
que el bosón de Higgs no existe, no dudan de la renormalizabilidad. Os pido
perdón, pero yo no entiendo por qué mucha gente famosa habla con total
naturalidad sobe el Higgs afirmando que puede que exista o puede que no exista,
en pie de igualdad, cuando la natural es que exista y lo “antinatural” es que no
exista.
Hemos progresado mucho en 10 años. En el año 2000, LEP2 excluyó un Higgs con una masa menor de 113,4 GeV (más tarde se subió a 114,4 GeV). No supimos nada más hasta el año 2008, cuando el Tevatrón logró excluir un Higgs con una masa de 170 GeV al 95% CL. El avance ha sido rapidísimo y el LHC ha buscado el Higgs en el intervalo entre 110 y 600 GeV desde el año 2010, excluyendo su existencia salvo en un pequeño intervalo de masas entre 117 y 127 GeV (a fecha de hoy). La semana que viene sabremos un poquito más. ¿Por qué todo el mundo tiene tanta prisa en saberlo todo sobre el Higgs? ¿Por qué se olvida que no llegaremos a saberlo todo sobre el Higgs hasta dentro de un par de décadas, como mínimo? Lo natural es que el Higgs exista y que lo encontremos este año, pero lo interesante está en los detalles y no los conoceremos este año; repito, serán necesarias al menos dos décadas para que profundicemos en estos detalles. Para mí es realmente curioso.
Esta figura, ya obsoleta, muestra los límites de exclusión para el bosón de Higgs obtenidos por el experimento ATLAS del LHC en el CERN en el verano de 2011. Hace solo un año y ya no interesa absolutamente a nadie. En verde la curva correspondiente a las colisiones del año 2010, en rojo la curva publicada en julio de 2011 (EPS-HEP 2011) y en negro la curva de finales agosto (LP 2011). Estas dos últimas curvas se obtuvieron con entre 1 /fb y 2,3 /fb de colisiones a 7 TeV c.m., según el canal de búsqueda del Higgs. ¡Cuánto hemos avanzado desde entonces y solo ha pasado un año! La figura la he extraído de Sven Heinemeyer (IFCA, Santander, CSIC), “Farewell,” Higgs days at Santander, Sept. 2011.
A veces hay que retomar el pasado para darse cuenta de lo rápido que estamos avanzando. Pero nunca es suficientemente rápido, siempre queremos aún más rápido. ¡Qué dirá Peter Higgs al respecto tras haber esperado casi 50 años! Quizás deberíamos recordar la prehistoria del Higgs.
Empezaré con Philip Anderson, que se dio cuenta en el verano de 1962 que el mecanismo utilizado en la superconductividad para explicar el efecto Meissner podía ser utilizado en física de partículas elementales para hacer que los bosones de Goldstone se convirtieran en los grados de libertad longitudinales que dotan de masa a una partícula como el fotón. El artículo que describía el “mecanismo de Higgs” apareció en 1963, pero no detallaba los cálculos relativistas correspondientes. Anderson cuenta su historia aquí. Él era físico de la materia condensada, pero publicó su artículo en una revista de física de partículas. A Brout le encantó la idea y junto a Englert, dos años más tarde, desarrolló un modelo de ruptura de la simetría basado en la idea de Anderson. Sin embargo, Brout y Englert en su artículo en Physical Review Letters omitieron la referencia al trabajo previo de Anderson. El artículo llegó a la revista el 26 de junio 1964 y se publicó en la edición del 31 de agosto de 1964.
Brout y Englert relataron la historia de su artículo aquí, donde afirmaron que conocían el trabajo de Anderson sobre la superconductividad y que su idea fue extender dicho trabajo a una teoría cuántica relativista (una teoría gauge de tipo Yang-Mills). Ellos conocían el trabajo de Nambu y Goldstone según el cual si la simetría gauge era global debían aparecer partículas sin masa que no habían sido observadas. Su objetivo fue desarrollar una teoría con invarianza gauge local y su guía para ello eran las ideas de Anderson. Su trabajo no fue fácil ya que la matemática es más sutil en el caso relativista y según confiesan necesitaron más de un año para completar la labor en 1964. La sorpresa es que podían evadir la existencia de los bosones de Goldstone sin masa, aunque fueron capaces de indicar de forma explícita que podrían aparecer bosones con masa.
Peter Higgs, de forma independiente, envió un artículo en julio de 1964 a Physics Letters en el que desarrollaba el argumento de Anderson en el caso relativista, pero como en el caso de Brout y Englert no predecía la existencia de bosones con masa. Higgs envió una semana más tarde otro artículo en el que estudiaba más detalles de la ruptura espontánea de la simetría en una teoría gauge local, pero dicho artículo fue rechazado. Hizo una serie de cambios, entre ellos la mención de la posible existencia de mesones con masa (que ahora llamamos bosones de Higgs) y lo volvió a enviar el 31 de agosto de 1964, siendo aceptado en la revista Physical Review Letters (se publicó en la edición del 19 de octubre 1964 ). Nambu fue el revisor de este artículo y le indicó a Higgs la existencia del artículo de Brout y Englert (Higgs incluyó en su artículo una nota a pie de página al respecto). En este artículo Higgs hace mención explícita al artículo previo de Anderson.
Higgs da su versión de la historia aquí , y se refiere al “mecanismo de Anderson” de forma explícita. Guralnik, Hagen y Kibble habían estado trabajando también en el “mecanismo de Higgs-Anderson” y escribieron un artículo sobre él que enviaron a PRL. Guralnik da su versión de la historia aquí y Kibble aquí. Entre todos estos autores, él único que menciona de forma explícita la consecuencia (obvia por otro lado a partir del formalismo matemático) de la de existencia de una partícula (un “mesón”) como resultado del mecanismo de ruptura espontánea de la simetría es Higgs.
Otros dos artículos de exposición reciente sobre este tema y su historia, ver aquí y aquí .
Hemos progresado mucho en 10 años. En el año 2000, LEP2 excluyó un Higgs con una masa menor de 113,4 GeV (más tarde se subió a 114,4 GeV). No supimos nada más hasta el año 2008, cuando el Tevatrón logró excluir un Higgs con una masa de 170 GeV al 95% CL. El avance ha sido rapidísimo y el LHC ha buscado el Higgs en el intervalo entre 110 y 600 GeV desde el año 2010, excluyendo su existencia salvo en un pequeño intervalo de masas entre 117 y 127 GeV (a fecha de hoy). La semana que viene sabremos un poquito más. ¿Por qué todo el mundo tiene tanta prisa en saberlo todo sobre el Higgs? ¿Por qué se olvida que no llegaremos a saberlo todo sobre el Higgs hasta dentro de un par de décadas, como mínimo? Lo natural es que el Higgs exista y que lo encontremos este año, pero lo interesante está en los detalles y no los conoceremos este año; repito, serán necesarias al menos dos décadas para que profundicemos en estos detalles. Para mí es realmente curioso.
Esta figura, ya obsoleta, muestra los límites de exclusión para el bosón de Higgs obtenidos por el experimento ATLAS del LHC en el CERN en el verano de 2011. Hace solo un año y ya no interesa absolutamente a nadie. En verde la curva correspondiente a las colisiones del año 2010, en rojo la curva publicada en julio de 2011 (EPS-HEP 2011) y en negro la curva de finales agosto (LP 2011). Estas dos últimas curvas se obtuvieron con entre 1 /fb y 2,3 /fb de colisiones a 7 TeV c.m., según el canal de búsqueda del Higgs. ¡Cuánto hemos avanzado desde entonces y solo ha pasado un año! La figura la he extraído de Sven Heinemeyer (IFCA, Santander, CSIC), “Farewell,” Higgs days at Santander, Sept. 2011.
A veces hay que retomar el pasado para darse cuenta de lo rápido que estamos avanzando. Pero nunca es suficientemente rápido, siempre queremos aún más rápido. ¡Qué dirá Peter Higgs al respecto tras haber esperado casi 50 años! Quizás deberíamos recordar la prehistoria del Higgs.
Empezaré con Philip Anderson, que se dio cuenta en el verano de 1962 que el mecanismo utilizado en la superconductividad para explicar el efecto Meissner podía ser utilizado en física de partículas elementales para hacer que los bosones de Goldstone se convirtieran en los grados de libertad longitudinales que dotan de masa a una partícula como el fotón. El artículo que describía el “mecanismo de Higgs” apareció en 1963, pero no detallaba los cálculos relativistas correspondientes. Anderson cuenta su historia aquí. Él era físico de la materia condensada, pero publicó su artículo en una revista de física de partículas. A Brout le encantó la idea y junto a Englert, dos años más tarde, desarrolló un modelo de ruptura de la simetría basado en la idea de Anderson. Sin embargo, Brout y Englert en su artículo en Physical Review Letters omitieron la referencia al trabajo previo de Anderson. El artículo llegó a la revista el 26 de junio 1964 y se publicó en la edición del 31 de agosto de 1964.
Brout y Englert relataron la historia de su artículo aquí, donde afirmaron que conocían el trabajo de Anderson sobre la superconductividad y que su idea fue extender dicho trabajo a una teoría cuántica relativista (una teoría gauge de tipo Yang-Mills). Ellos conocían el trabajo de Nambu y Goldstone según el cual si la simetría gauge era global debían aparecer partículas sin masa que no habían sido observadas. Su objetivo fue desarrollar una teoría con invarianza gauge local y su guía para ello eran las ideas de Anderson. Su trabajo no fue fácil ya que la matemática es más sutil en el caso relativista y según confiesan necesitaron más de un año para completar la labor en 1964. La sorpresa es que podían evadir la existencia de los bosones de Goldstone sin masa, aunque fueron capaces de indicar de forma explícita que podrían aparecer bosones con masa.
Peter Higgs, de forma independiente, envió un artículo en julio de 1964 a Physics Letters en el que desarrollaba el argumento de Anderson en el caso relativista, pero como en el caso de Brout y Englert no predecía la existencia de bosones con masa. Higgs envió una semana más tarde otro artículo en el que estudiaba más detalles de la ruptura espontánea de la simetría en una teoría gauge local, pero dicho artículo fue rechazado. Hizo una serie de cambios, entre ellos la mención de la posible existencia de mesones con masa (que ahora llamamos bosones de Higgs) y lo volvió a enviar el 31 de agosto de 1964, siendo aceptado en la revista Physical Review Letters (se publicó en la edición del 19 de octubre 1964 ). Nambu fue el revisor de este artículo y le indicó a Higgs la existencia del artículo de Brout y Englert (Higgs incluyó en su artículo una nota a pie de página al respecto). En este artículo Higgs hace mención explícita al artículo previo de Anderson.
Higgs da su versión de la historia aquí , y se refiere al “mecanismo de Anderson” de forma explícita. Guralnik, Hagen y Kibble habían estado trabajando también en el “mecanismo de Higgs-Anderson” y escribieron un artículo sobre él que enviaron a PRL. Guralnik da su versión de la historia aquí y Kibble aquí. Entre todos estos autores, él único que menciona de forma explícita la consecuencia (obvia por otro lado a partir del formalismo matemático) de la de existencia de una partícula (un “mesón”) como resultado del mecanismo de ruptura espontánea de la simetría es Higgs.
Otros dos artículos de exposición reciente sobre este tema y su historia, ver aquí y aquí .
22 junio 2012
Una sorpresa que podemos esperar en el canal difotónico para la búsqueda del Higgs
¿Qué significa esto con respecto a la búsqueda del bosón de Higgs con masa alrededor de 125 GeV/c²? El canal difotónico es el “gold channel” de esta búsqueda y mostraba un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar, que llevó a algunos físicos a proponer que la señal a 125 GeV/c² correspondía a un primo (“fermiofóbico”) del Higgs. ¿Hasta qué orden se calculó dicho canal difotónico? El cálculo se realizó hasta NLO, luego es posible que veamos sorpresas cuando se calcule hasta NNLO. ¿Significa esto que la señal observada de un Higgs desaparecerá? Como también fue observada por ATLAS, no creo que ese sea el caso. Más bien, pero es una opinión personal mía, podría significar lo contrario, que la señal publicada en diciembre de 2011 aparentaba ser más débil de lo que en realidad era y que un nuevo análisis de dichos datos podría reforzar dicha señal. Obviamente, es solo una opinión mía. Que nadie me tire de las orejas si me equivoco (quizás lo sabremos el 4 de julio). Los autores de blogs estamos para eso, para equivocarnos.
El misterioso exceso observado por CMS se publicó el 1 de noviembre de 2011 en “Measurement of the Production Cross Section for Pairs of Isolated Photons in pp collisions at s√ = 7 TeV,” CMS-QCD-10-035, CERN-PH-EP-2011-171, arXiv:1110.6461 y apareció en revista el 25 de enero de 2012 (J. High Energy Phys. 01 (2012) .133). Mucha gente se hizo eco de este exceso, como Matt Strassler, “Two-Photons: Data and Theory Disagree,” OPS, Nov. 1, 2011 (que achacó de forma acertada el exceso a un error en el cálculo teórico de la predicción del modelo estándar); Matti Pitkanen, “CMS observes large excess of diphotons,” TGD Diary, Nov. 2, 2011 (que también acertó al afirmar que se trataba de un error sistemático); Lubos Motl, “CMS: a very large excess of diphotons,” TRF, Nov. 1, 2011 (que rápido como el rayo soñó con nueva física más allá del modelo estándar); y otros. Por cierto, yo no me molesté en hacerme eco de esta noticia en este blog (aunque escribí un borrador al respecto que quedó inacabado y por eso ahora rescato esta noticia).
La solución del misterio aparece publicada en múltiples sitios: Leandro Cieri, “Diphoton production at NNLO,” Winter School, Ascona, January 27, 2012; Leandro Cieri, “Diphoton production at LHC: 120 < Mγγ < 140 GeV,” Rencontres de Moriond, March 11, 2012; Jonathan M. Butterworth, Guenther Dissertori, Gavin P. Salam, “Hard Processes in Proton-Proton Collisions at the Large Hadron Collider,” Annual Review of Nuclear and Particle Science, arXiv:1202.0583; y otros artículos más recientes.
Rueda de prensa en el CERN para el 4 de julio sobre el bosón de Higgs
Actualización: La rueda de prensa en el CERN ya es oficial (Noticia CPAN). Será retransmitida vía webcast (http://webcast.cern.ch/). Steve Myers dice que “Data taking for ICHEP concluded on Monday 18 June after a very successful first period of LHC running in 2012.” Por tanto, debemos esperar el análisis de 6,52 /fb en ATLAS, 6,58 /fb en CMS, y 0,651 /fb en LHCb [fuente].Hamish Johnston nos informa en “CERN calls press conference for 4 July…,” PhysicsWorld.com, que se ha convocado una rueda de prensa en el CERN para el 4 de julio, a las 09:00 (hora de Ginebra), el primer día del ICHEP (International Conference on High Energy Physics) que se celebrará en Melbourne, Australia. Se supone que en la rueda de prensa se comunicarán los últimos resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC (Large Hadron Collider). Hamish se atreve a afirmar que el “anuncio oficial” de estos nuevos resultados en Australia tiene el problema de que este país no es miembro del CERN y además que ya ha comprado el billete para Ginebra para asistir en persona a la rueda de prensa. Supongo que habrá video streaming, así que yo lo veré desde casa. Cuando el anuncio sea oficial (aparezca en la web del CERN) ya os indicaré el enlace correspondiente.
Actualización (23 junio): Peter Woit vuelve con otro rumor “uno de los experimentos” (tiene que ser ATLAS),” y quizás los dos” (también CMS) “han observado a 5 sigmas una señal del Higgs al combinar sus datos de 2011 y 2012 en los canales más sensibles al Higgs.” Tras el seminario técnico de 2 horas, habrá una rueda de prensa a las 11:00. Por supuesto, Peter Woit también nos recuerda que el 4 de julio de 1984 hubo un gran anuncio en el CERN (el descubrimiento del quark top) que al final fue un gravísimo error (el top no se descubrió hasta 1995). Por cierto, Tommaso Dorigo (miembro de CMS) dice que lo que ocurrirá el 4 de julio será algo grande (“a major event”).
Por cierto, “Los rumores sobre la detección del Higgs se convirtieron ayer” (20 de junio) “en trending topic a través del HT
Tommaso Dorigo, “How Fast Do We Get Higgs Mass Plots From Raw Data ?, AQDS, June 17th 2012, nos cuenta cuánto tiempo cuesta convertir los datos de los análisis de las colisiones (“raw data”) en las figuras finales (histogramas en función de la masa) que aparecerán en las charlas del ICHEP y en los artículos científicos. Según él, primero hay que preseleccionar los eventos interesantes para cada canal de desintegración del Higgs, que para unos 5 /fb de datos recogidos en el LHC en 2012 puede costar unos 3 meses; afortunadamente este proceso se realiza en paralelo con la toma de datos. Por cierto, este proceso puede hacerse de forma “ciega” sin que los científicos involucrados puedan saber cuál será el resultado final. La parte final del análisis, recopilar todos los datos y “sumar” los resultados obtenidos, Tommaso estima que se pueda hacer en medio día (como mucho). Por ello, un día nadie sabe nada sobre el Higgs y al día siguiente todo el mundo (dentro de la colaboración de científicos) sabe lo mismo que las primeras personas que vieron la figura final.
PS: Como dice Jorge Díaz, “CERN anunciará nuevos resultados en búsqueda del Higgs,” Conexión Causal, junio 22, 2012, “¿por qué el CERN convoca este seminario [científico] adelantándose a la presentación en ICHEP [tres días más tarde] si no [es] para anunciar algo importante? Ojalá no se trate de estrategia publicitaria y de resultados de verdad importantes.”
17 junio 2012
El Higgs “fermiofóbico” y los rumores para San Fermín sobre el Higgs en el ICHEP 2012
Lo primero es lo primero, los rumores. Como ya viene siendo costumbre, Peter
Woit vuelve a lanzar rumores sin fuente: se ha observado en el LHC del CERN una
señal a 4 sigmas de la existencia de un bosón de Higgs con una masa de unos 125
GeV (“The Higgs Discovery,” NEW,
June 17, 2012). El rumor sobre ATLAS se lanzó hace unos días, ahora también
se incluye a CMS (que ha realizado un análisis “ciego”). “En el primer congreso
estrella de física de partículas de este verano, el ICHEP2012 que
se celebra en Melbourne, Australia, se anunciarán los nuevos resultados sobre la
búsqueda del Higgs en el LHC (tanto CMS como ATLAS) el sábado 7 de julio, entre las 17:30 y 18:00 (hora de Madrid,
en Melbourne será entre las 09:30 y las 10:00).”
Como también ya es habitual, Philip Gibbs se hace eco de estos rumores, para darle más coba a Woit, en “ICHEP Higgs Rumours = Discovery ?,” viXra, June 17, 2012. En el canal difotónico, el año pasado se alcanzó una significación estadística para un Higgs de unos 125 GeV de hasta 3,1 sigmas en CMS y hasta 2,9 sigmas en ATLAS (estimación oficiosa de Gibbs, más optimista que la oficial del CERN). Estas estimaciones oficiosas, al añadir más de 4 /fb de datos de colisiones en el LHC a 8 TeV c.m., se logrará una estimación oficiosa de más de 5 sigmas (un descubrimiento oficioso) para el Higgs. Hay que recordar que estas estimaciones oficiosas se basan en combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS, algo que no se realizará de forma oficial hasta 2013 y no se publicará hasta julio de 2013, como pronto. En el CERN se desea que ambos experimentos, ATLAS y CMS, descubran el Higgs de forma independiente, algo que podrán hacer sin combinar sus colisiones a finales de este año.
Por supuesto, Gibbs nos recuerda que (1) no se puede confiar en los rumores; (2) a estas fechas, CMS debería haber analizado al menos 4,5 /fb de colisiones y ATLAS al menos 3 /fb de colisiones (estos datos también son rumores), si ya se ve una señal a 4 sigmas es posible que en julio la señal todavía tenga más significación; y (3) una evidencia a 4 sigmas con solo los datos de 2012 es un poquito mejor de lo esperado (es decir, una fluctuación estadística a favor del Higgs), pero todo depende de lo bien que hayan funcionado las técnicas de mitigación del apilado (pileup) de colisiones durante los análisis (aunque para el canal difotónico este inconveniente afecta muy poco).
Lo segundo es hablar del Higgs fermiofóbico. Lo primero de lo segundo, aclarar la traducción. En español debería llamarse Higgs fermiófugo, pero la costumbre entre los físicos experimentales es traducir “fermiophobic” por “fermiofóbico.” Lo siento por los lingüistas, pero cambiar las costumbres es difícil (recuerda que el “positón” (traducción correcta de “positron” en inglés) es mal traducido “positrón” por cuestiones de costumbre) y las lenguas vivas evolucionan gracias a las costumbres.
¿Qué es un Higgs fermiofóbico? Un Higgs cuyos acoplamientos al quark top, al quark bottom y a los leptones tau (y a los demás quarks y leptones, pero son poco relevantes por su pequeña masa) son mucho más pequeños de lo que predice el modelo estándar, o están anulados por alguna razón (hay muchas propuestas teóricas). Un Higgs fermiofóbico debe ser observado gracias a los canales de desintegración WW, ZZ, γγ, y Zγ (y muchos otros pero con probabilidad despreciable).
Los datos de colisiones de 2011 en el LHC han mostrado señales del Higgs en el canal γγ, y algo menos en los canales WW y ZZ (en julio en el ICHEP se prevé que también en el canal Zγ). Da la casualidad que estos canales son los asociados a un Higgs fermiofóbico, lo que ha generado cierta expectación entre los físicos teóricos. Pero debemos ser fieles a la verdad, para un Higgs de 125 GeV, la señal esperada para un Higgs fermiofóbico en estos canales coincide con la esperada para un Higgs del modelo estándar en dichos canales, como muestra esta figura [fuente].
Por tanto, no podemos descartar que se haya observado un Higgs fermiofóbico,
pero mientras los canales “fermiónicos” (especialmente bb y ττ) sigan dando una
relación señal/ruido tan mala, la preferencia oficial debe ir hacia el Higgs del
modelo estándar. Ello no quita que los físicos experimentales busquen un Higgs
de este tipo y la figura de abajo muestra el resultado obtenido en CMS para el
canal difotónico con 4,8 /fb de colisiones de 2011 a 7 TeV c.m. Recuerda, en
esta figura solo aparece el canal γγ.
Interpretar esta figura requiere dos consideraciones. La primera, hay una
señal, aunque débil, en el canal bb que ha sido observada en el Tevatrón, en
contra de un Higgs fermiofóbico. La segunda, otros canales de desintegración no
muestran un pico tan claro para un Higgs fermiofóbico como el canal difotónico
mostrado en esta figura. La tercera, las colisiones analizadas en 2011 no son
suficientes para excluir un Higgs fermiofóbico con una masa por encima de unos
130 GeV, lo que hace que el pico (línea negra) que se observa a 125 GeV se
parezca más a una fluctuación estadística que a un pico bien definido. Y la
cuarta, para la mayoría de los físicos experimentales, se trata de una simple
casualidad, debido a que el Higgs parece que tiene la masa adecuada (125 GeV)
para que ocurra esta coincidencia entre el caso fermiofóbico y el del modelo
estándar.
Por supuesto, en física de partículas nunca se puede decir nunca jamás (y las sorpresas son lo realmente maravilloso de este campo del saber). Habrá que esperar a los análisis presentados en el ICHEP 2012 para confirmar o desmentir estas señales fermiofóbicas, pero mi opinión es que serán desmentidas. En concreto, “Search for a fermiophobic Higgs particle” (7 de julio) y “Fermiophobic Higgs Boson in Associated Production with a Massive Vector Boson” (6 de julio).
Como también ya es habitual, Philip Gibbs se hace eco de estos rumores, para darle más coba a Woit, en “ICHEP Higgs Rumours = Discovery ?,” viXra, June 17, 2012. En el canal difotónico, el año pasado se alcanzó una significación estadística para un Higgs de unos 125 GeV de hasta 3,1 sigmas en CMS y hasta 2,9 sigmas en ATLAS (estimación oficiosa de Gibbs, más optimista que la oficial del CERN). Estas estimaciones oficiosas, al añadir más de 4 /fb de datos de colisiones en el LHC a 8 TeV c.m., se logrará una estimación oficiosa de más de 5 sigmas (un descubrimiento oficioso) para el Higgs. Hay que recordar que estas estimaciones oficiosas se basan en combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS, algo que no se realizará de forma oficial hasta 2013 y no se publicará hasta julio de 2013, como pronto. En el CERN se desea que ambos experimentos, ATLAS y CMS, descubran el Higgs de forma independiente, algo que podrán hacer sin combinar sus colisiones a finales de este año.
Por supuesto, Gibbs nos recuerda que (1) no se puede confiar en los rumores; (2) a estas fechas, CMS debería haber analizado al menos 4,5 /fb de colisiones y ATLAS al menos 3 /fb de colisiones (estos datos también son rumores), si ya se ve una señal a 4 sigmas es posible que en julio la señal todavía tenga más significación; y (3) una evidencia a 4 sigmas con solo los datos de 2012 es un poquito mejor de lo esperado (es decir, una fluctuación estadística a favor del Higgs), pero todo depende de lo bien que hayan funcionado las técnicas de mitigación del apilado (pileup) de colisiones durante los análisis (aunque para el canal difotónico este inconveniente afecta muy poco).
Lo segundo es hablar del Higgs fermiofóbico. Lo primero de lo segundo, aclarar la traducción. En español debería llamarse Higgs fermiófugo, pero la costumbre entre los físicos experimentales es traducir “fermiophobic” por “fermiofóbico.” Lo siento por los lingüistas, pero cambiar las costumbres es difícil (recuerda que el “positón” (traducción correcta de “positron” en inglés) es mal traducido “positrón” por cuestiones de costumbre) y las lenguas vivas evolucionan gracias a las costumbres.
¿Qué es un Higgs fermiofóbico? Un Higgs cuyos acoplamientos al quark top, al quark bottom y a los leptones tau (y a los demás quarks y leptones, pero son poco relevantes por su pequeña masa) son mucho más pequeños de lo que predice el modelo estándar, o están anulados por alguna razón (hay muchas propuestas teóricas). Un Higgs fermiofóbico debe ser observado gracias a los canales de desintegración WW, ZZ, γγ, y Zγ (y muchos otros pero con probabilidad despreciable).
Los datos de colisiones de 2011 en el LHC han mostrado señales del Higgs en el canal γγ, y algo menos en los canales WW y ZZ (en julio en el ICHEP se prevé que también en el canal Zγ). Da la casualidad que estos canales son los asociados a un Higgs fermiofóbico, lo que ha generado cierta expectación entre los físicos teóricos. Pero debemos ser fieles a la verdad, para un Higgs de 125 GeV, la señal esperada para un Higgs fermiofóbico en estos canales coincide con la esperada para un Higgs del modelo estándar en dichos canales, como muestra esta figura [fuente].
Por supuesto, en física de partículas nunca se puede decir nunca jamás (y las sorpresas son lo realmente maravilloso de este campo del saber). Habrá que esperar a los análisis presentados en el ICHEP 2012 para confirmar o desmentir estas señales fermiofóbicas, pero mi opinión es que serán desmentidas. En concreto, “Search for a fermiophobic Higgs particle” (7 de julio) y “Fermiophobic Higgs Boson in Associated Production with a Massive Vector Boson” (6 de julio).
Qué tiene que decir el LHC sobre dos anomalías detectadas en el Tevatrón
Hay varias discrepancias entre las predicciones
teóricas del modelo estándar y las observaciones experimentales de las
colisiones protón-antiprotón con una energía en el centro de masas de 1,96 TeV
en el Tevatrón del Fermilab (cerca de Chicago, EE.UU.). ¿Qué tiene que decir las
colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN (cerca de Ginebra,
Suiza) al respecto? Por ahora, todas estas asimetrías han sido desmentidas. Por
ejemplo, la llamada forward-backward top asymmetry, una asimetría en
las colisiones que producen quarks top y anti-top mayor de la predicha por el
modelo estándar; en concreto, los antiquarks top prefieren emerger en la
dirección del antiprotón incidente y los quarks top en la del protón. Esta
asimetría no puede ser observada de forma directa en el LHC, pero sí se puede
hacer de forma indirecta. Como muestra la figura esquemática que abre esta
entrada, en el LHC se produciría una asimetría de carga en las desintegraciones
con quarks top.
16 junio 2012
Ya hay colisiones protón-protón en el LHC que presentan más de 30 vértices “apilados”
En resumen, el año 2012 está siendo todo un éxito, pero quienes controlan los haces tienen una misión clave que cumplir, vigilar con extremo cuidado que la máquina esté protegida ante cualquier posible incidente (actualmente en modo colisiones se almacenan 120 MJ (megajulios) de energía). Como acaba siempre sus charlas Steve Myers, crucemos los dedos para que no haya ningún problema con el LHC durante este año (porque la suerte también tiene que acompañar al buen hacer).
11 junio 2012
El Higgs y el nuevo récord de colisiones acumuladas en el LHC del CERN
Para evitar que haya una filtración que conduzca a algún rumor temprano, se está realizando en CMS un análisis “ciego,” es decir, tal que los que trabajan en el análisis de datos no puedan saber el resultado que se obtendrá antes de que se aplique el último paso del análisis, reservado a unos pocos; por cierto, la explicación oficial de que el análisis sea “ciego” es para que los propios investigadores no lo sesguen con sus propios prejuicios. Más información en Sean Carroll, “Higgs Progress,” Cosmic Variance, June 11th 2012.
Sin embargo, por ahora en ATLAS no se está realizando un análisis “ciego” y por ello ya se oyen algunos rumores; en concreto, parece que ya se han observado varios eventos con una energía alrededor de 125 GeV en el canal difotónico (la desintegración de un Higgs en dos fotones, el canal más relevante en los análisis realizados en 2011). Por lo que parece, ya hay una señal del Higgs a 125 GeV con al menos dos sigmas de significación estadística. No habrá que esperar mucho para confirmar estos rumores, pues dentro de un mes conoceremos el resultado final (tras el análisis de al menos 4,5 /fb en ATLAS y CMS, por separado) en el congreso estrella del verano, ICHEP 2012. Más información sobre el rumor en Peter Woit, “High Drama,” Not Even Wrong, June 7, 2012.
La fecha tope (deadline) para la toma de datos de colisiones que podrán ser analizados para el congreso ICHEP, según Philip Gibbs, “LHC Prepares for ICHEP,” viXra log, June 10, 2012, ha sido este pasado fin de semana (10 de junio), lo que implica que se presentarán análisis con más de 5 /fb de colisiones en ATLAS y CMS. ¿Qué podemos esperar de la conferencia ICHEP de principios de julio? Por un lado, se extenderá el intervalo de exclusión actual para el Higgs por la parte de altas energías; en los análisis de 2011 con colisiones a 7 TeV el intervalo de masas estudiado está entre 110 y 600 GeV/c2, pero con las colisiones a 8 TeV durante 2012 se podrá excluir el Higgs en hasta una energía de 800 GeV/c2, es decir, esperamos que se excluya un Higgs en el rango de masas de 600 a 800 GeV/c2.
Por otro lado, se debería confirmar (o refutar) la señal observada el año pasado de un Higgs con un masa entre 124 y 126 GeV/c2. Y finalmente, se comprobará si el comportamiento inesperado del Higgs a 125 GeV/c2 en ciertos canales se refuta (como muchos tememos) o se confirma (lo que será muchos más interesante); se espera que se analice por primera vez un nuevo canal, la desintegración H → Z + γ (la desintegración de un Higgs en un bosón Z y un fotón). Sin lugar a dudas el resultado combinado LEP+Tevatron+LHC 7 TeV+LHC 8 TeV que se obtendrán con el software de Philip Gibbs dará información muy relevante sobre el Higgs con una significación estadística oficiosa de unas cinco sigmas (suficientes para proclamar de forma oficiosa un descubrimiento).
Más información sobre estos temas en Matt Strassler, “LHC Passes Milestone,” Of Particular Significance, June 11, 2012.
3 junio 2012
El LHC del CERN ya ha superado los 4 /fb de datos de colisiones a 8 TeV c.m.
¿Se combinarán oficialmente los datos de 2011 y de 2012 tanto en ATLAS como en CMS? No lo sabemos, pero todo apunta a que no se hará para las conferencias de este verano. ¿Se combinarán oficialmente los datos de ATLAS y CMS? No en 2012, dado que ambos experimentos pueden descubrir por separado el Higgs este año, no merece la pena realizar una combinación de sus colisiones (como era la costumbre en el Tevatrón con CDF y DZero). Un descubrimiento independiente es la razón por la cual ambas colaboraciones trabajan de forma independiente con los mismos objetivos. Además, realizar una combinación ATLAS+CMS requiere consumir muchos recursos de computación y la prioridad ahora mismo es analizar nuevas colisiones. Todo el mundo espera que esta combinación se realice en el año 2013, cuando el LHC deje de tomar colisiones y pase a ser reparados para poder incrementar su energía hasta los 14 TeV c.m.
Obviamente, tendremos una combinación oficiosa gracias al software de Philip Gibbs, que nos permitirá combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS en 2011, y ATLAS y CMS en 2012. Por tanto, las figuras oficiales de más arriba nos indican fuera de toda duda que la publicación este verano de los datos de la búsqueda del Higgs con 5 /fb de datos a 8 TeV nos permitirá proclamar el descubrimiento oficioso del Higgs a 125 GeV (en su caso). Este verano promete ser apasionante para la caza del Higgs.
“Experimentalists: Not enough data to conclude the existence or non-existence of the Higgs boson.Extractos de la charla de Adam Falkowski (LPT Orsay), “Interpreting Higgs results,” Planck’12 Warszawa, 28 Maja 2012 [slides en PDF]. A este respecto, también recomiendo las charlas de Alessandro Strumia, “Higgs weights 125 GeV! Now what?,” Talk at CERN, IFAE, Princeton and Planck2012, updated to May 31, 2012 [slides en PDF], que resume sus trabajos Is Higgs standard?, SM vacuum (in)stability y Higgs & SUSY; de Roberto Contino (University of Rome “La Sapienza”), “Looking for the Higgs boson without (too much) prejudice,” Planck 2012, slides in pdf; de Christophe Grojean (CERN-TH), “Fingerprinting Higgs suspects at the LHC,” Planck 2012, 31 May 2012 [slides en pdf].
Theorists: Come on… it’s 125 GeV.
Other theorists: Is it the SM Higgs?
The key point: Assuming Higgs exists at 125 GeV what’s next?
27 mayo 2012
El LHC está acumulando un inverso de femtobarn de colisiones por semana
El modelo estándar predice el número de Higgs que se producirán en una colisión protón contra protón a 8 TeV en función de ciertos parámetros (como la distribución de partones en un protón) que no sabemos calcular con precisión. La mejor manera de determinar estos parámetros es medirlos de forma experimental y ello requiere analizar muchas colisiones, pero estos análisis se realizan en paralelo con los correspondientes a la búsqueda del Higgs. Por tanto, puede pasar lo que ya pasó con la búsqueda del Higgs en el Tevatrón hace dos años, cuando al incrementar el número de colisiones analizadas el intervalo de exclusión del Higgs decreció en lugar de crecer.
Las estimaciones teóricas utilizando simulaciones por ordenador mediante métodos de Montecarlo presentan gran incertidumbre, con lo que el resultado depende del algoritmo utilizado (para la distribución de partones en un protón hay varios algoritmos, pero en el LHC se recomienda usar PDF4LHC; más información en Robert Thorne, “Parton Distributions,” 6th LHC Higgs Cross Sections, 25th May 2012, de donde he extraído la figura de arriba). Como muestra la figura, la sección eficaz σ(H), más o menos equivalente a la probabilidad de producción de un Higgs en una colisión, tiene un valor de σ(H) = 16,99 ± 1,66 ± 0,37 que presenta una incertidumbre cercana al 10% (un 7%). La figura (a la izquierda) también muestra como diferentes programas de Montecarlo predicen valores diferentes para la producción de un Higgs por fusión de gluones. La vida de los físicos que trabajan en el LHC no es fácil.
Estos detalles que pueden parecer de poca importancia son fundamentales a la hora de interpretar los resultados que se publiquen sobre el Higgs en el ICHEP 2012. Se observarán muy pocos bosones de Higgs y la comparación entre el número esperado y el observado tendrá gran incertidumbre. Por tanto, en rigor, incluso si la señal sobre un Higgs a 125 GeV se hace más clara, proclamar un descubrimiento temprano es arriesgado. A finales de año, todos los parámetros para realizar una estimación teórica correcta de las predicciones del modelo estándar a 8 TeV c.m. tendrá valores más precisos y la opinión general es que, con más datos y mejores ajustes entre teoría y experimento, ya se podrá proclamar oficialmente, en su caso, un descubrimiento.
Lo mismo pasa con las propiedades del Higgs. Mucha gente interpreta los datos publicados en diciembre sobre el Higgs como una señal de que no corresponde a la predicción del modelo estándar, aparecen excesos en algunos canales de desintegración y defectos en otros. Pero con los pies en la tierra no podemos todavía hablar de Higgs leptofóbicos y otras variantes, pues interpretar los resultados en estos canales es aún más arriesgado que interpretar su combinación. Lo mismo pasará en el ICHEP 2012. El análisis canal a canal de desintegración del Higgs mostrará excesos y defectos de origen puramente estadístico (tanto de las propias fluctuaciones de los datos como de nuestras estimaciones de las predicciones teóricas del modelo estándar). Una interpretación fiable canal a canal requerirá un análisis pormenorizado de todos los resultados que se obtengan en 2012 y quizás no se logre publicar hasta el verano de 2013.
Estamos viviendo unos momentos apasionantes en la búsqueda del Higgs, pero no debemos olvidar las enormes dificultades que han de superar los miles de físicos que trabajan en el LHC. La analogía con buscar una aguja en un pajar no es buena, porque todo el mundo sabe diferenciar una aguja de una paja cuando la ve, pero no es nada fácil diferenciar entre una colisión con un Higgs y otra con ninguno.
22 mayo 2012
Los nuevos resultados sobre la búsqueda del Higgs en el LHC serán anunciados el sábado 7 de julio, día grande de San Fermín
Este verano las combinaciones oficiales de Philip Gibbs las podrá realizar
cualquiera gracias a su Higgs
Combination Java Applet (lo he probado, es fácil de usar y funciona
perfectamente). Esta Applet permite combinar cada canal por separado, luego será
disfrutado por todos los físicos teóricos que apuestan a que la señal de
diciembre corresponda a un bosón de Higgs “exótico” diferente del predicho por
el modelo estándar. Las combinaciones no oficiales de Gibbs basadas en combinar
resultados publicados en lugar de combinar datos de colisiones (que es lo que
hay que hacer con rigor), por ello son repudiadas por muchos expertos del CERN
(aunque teóricos como John Ellis las consideren “representativas” del resultado
oficial). El 7 de julio a las 18:30 ya podrás ver la combinación no oficial de
Gibbs con datos del LEP, Tevatrón, LHC a 7 TeV y LHC a 8 TeV (será espectacular
y en este blog tendrás la imagen). Si se confirma la señal observada en
diciembre, esta combinación ofrecerá una significación estadística local (en el
intervalo 115 a 130 GeV) con más de 5 sigmas. La labor divulgativa de Gibbs
merece todo nuestro reconocimiento y respeto. Más información en Philip Gibbs,
“Higgs Combination Applet,” viXra log, May 21, 2012.
19 mayo 2012
Estado actual de las colisiones en el LHC del CERN
PS: No ha podido ser. A las 10:54 el LHC dejó de estar en modo colisiones, #LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: BEAM DUMP (Fill #2645) 10:54 y se dio por finalizado el Fill #2645; hay que hacer una rampa hacia abajo (#LHC Machine Status: PROTON PHYSICS: RAMP DOWN (Fill #2646) 11:00) y luego prepararse para la siguiente inyección (la Fill #2646). En las LHC News suelen explicar por qué ha ocurrido el dump de los haces; hoy sábado, a las 12:32, todavía no han explicado lo ocurrido con el Fill #2645; a las 12:34 ya están preparados para iniciar la rampa de la inyección Fill #2646. Lo dicho, a disfrutar del sábado…
PS (20 mayo 2012): El dump del Fill #2645 fue debido al disparo espurio de los sistemas de protección (“BLM L1 spurious trigger … difficult to stay politically correct“). El Fill #2646, con haces estables durante 16:06 horas, el más largo de 2012, ha logrado un nuevo récord de luminosidad integrada, con 194 /pb de datos acumulados en CMS y con 188 /pb en ATLAS.
27 abril 2012
El experimento CMS observa por primera vez una nueva excitación del barión Xi(b) neutro (formado por los quarks b, s y u)
PS (28 abr. 2012): Recomiendo leer a Matt Strassler,
“CMS Finds a New (Expected, Composite) Particle,”
OPS, April 27, 2012, quien discute en detalle la diferencia entre encontrar una
nueva partícula “elemental” y confirmar la existencia de una partícula
“compuesta” (en este caso, un barión, una partícula similar a un protón,
compuesta de quarks).
20 abril 2012
El estado actual del LHC a 8 TeV – El experimento CMS ha recogido más de 1 /fb de datos
Por cierto, si te interesa saber qué significa que los protones colisionan con una energía de 8 TeV en el centro de masas, nos lo cuenta Vivek Jain, “What does 8 TeV mean?,” ATLAS Experiment Blog, April 11, 2012.
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