Para entender cómo el LHC va a ser capaz de descubrir (o excluir) la existencia del bosón de Higgs en los próximos meses, es importante tener en cuenta los resultados que el LHC ha producido hasta ahora. En este primer post pretendemos hacer un breve recorrido de los sucesos más relevantes que han ocurrido en el LHC en torno a la búsqueda del Higgs, así como sobre la relevancia de los mismos.

Construir el LHC llevó 13 años de esfuerzo y la colaboración continuada de científicos e ingenieros de más de 100 países distintos. Una vez construido el LHC, sin embargo, observar el bosón de Higgs no es algo instantáneo ni automático. Por el contrario, es necesario utilizar el LHC para hacer numerosas mediciones durante largos periodos de tiempo para determinar si el Higgs existe o no. Parte del problema es que el Modelo Estándar de la Física de Partículas, que describe varias propiedades de este bosón, no nos dice la masa que el Higgs debe tener. Por lo tanto, a la hora de hacer experimentos con el LHC es necesario pensar que el bosón de Higgs puede tener cualquier masa, y poco a poco ir excluyendo regiones de masa donde el Higgs no pueda existir. Esto es posible porque para diferentes masas del Higgs deberían ocurrir distintos tipos de sucesos tras las colisiones de partículas, así que mediante la recopilación de datos se pueden ir excluyendo zonas de masas. Esta exclusión de zonas se hace de manera más eficiente a medida que el acelerador se va mejorando y se convierte en una máquina más potente y eficaz.

Recordemos que el LHC realiza experimentos colisionando haces de protones y midiendo lo que ocurre tras la colisión. Para entender la capacidad del LHC para determinar la existencia o no del bosón de Higgs es necesario tener en cuenta dos características de los haces de protones: su energía y su intensidad o luminosidad.

La energía de los haces se mide en unidades de Tera-electrón-Voltios (TeV) y es una cantidad fundamental para el experimento. A mayor energía las colisiones entre protones son más fuertes y pueden ocurrir procesos que a menores energías no son posibles. En particular, a mayor energía se pueden producir procesos en los que intervienen partículas más y más pesadas (recordemos que mediante la ecuación de Einstein E = mc2 es posible convertir energía en masa, y por lo tanto emplear unidades de energía para medir la masas de las partículas). Por lo tanto, para buscar un Higgs de una masa elevada es necesario colisionar haces de partículas con una energía elevada. Una de las razones por la que se desmanteló el anterior experimento del CERN, llamado LEP, para construir el LHC en su lugar fue porque en LEP se colisionaban haces de electrones y positrones, y la energía que pueden llevar estos haces es limitada. Los haces de protones que se aceleran en el LHC llevan mucha más energía, lo que permite explorar un rango de masas para el Higgs mucho más extenso. Otra ventaja de colisionar protones frente a otro tipo de partículas es que permite explorar de manera simultánea un amplio rango de energías, sin necesidad de realizar ajustes en el acelerador. Esto es debido a que los protones no son partículas elementales, sino que están formadas por constituyentes más fundamentales denominados partones (quarks y gluones), de modo que cada partón lleva sólo una fracción de la energía total del protón.

La luminosidad está relacionada con el número de colisiones que se producen cuando chocan los dos haces de partículas. Sin entrar en tecnicismos, se puede definir como el número de protones que atraviesan una superficie de un centímetro cuadrado en un segundo y por tanto nos da una idea del número de protones que contiene el haz en un instante dado. Se trata de un aspecto de gran importancia pues, por las reglas de la mecánica cuántica, a mayor número de colisiones mayor probabilidad de que se produzca un determinado suceso, y en particular un suceso donde participe el bosón de Higgs. Una luminosidad elevada permite obtener en un periodo de tiempo razonable una buena estadística de todos los sucesos que ocurren cuando chocan dos haces de partículas, y esto es fundamental para poder contrastar con las probabilidades para estos sucesos que predice el Modelo Estándar. Una forma de estimar la cantidad de información útil que el LHC ha acumulado desde su puesta en funcionamiento es ir añadiendo la luminosidad del haz durante todo el periodo de tiempo durante el cual el LHC ha estado corriendo. Esto es lo que se conoce como luminosidad integrada. Como el número de colisiones es tan elevado, la luminosidad integrada se suele medir en unidades de femtobarn inverso (1 fb-1= 1039 cm-2).

Cantidades como la luminosidad nos permiten medir que buen control estadístico tenemos sobre nuestro experimento. En este sentido, es importante resaltar que los descubrimientos o exclusiones que se hacen en un acelerador o en cualquier otro experimento que involucre a la mecánica cuántica son necesariamente de naturaleza estadística. Así, en el campo de la Física de Altas Energías existe la costumbre de no proclamar un descubrimiento hasta que la probabilidad de que la medida sea debida a una fluctuación estadística se estime inferior a cinco desviaciones estándar (cinco sigmas, a las que hace referencia el título del blog), es decir de aproximadamente una parte en un millón.

En el caso particular del bosón de Higgs, su existencia se intenta demostrar o refutar a través de distintos procesos o canales. Por ejemplo, en la figura de arriba se presenta el diagrama de uno de estos canales. En él, un gluón perteneciente a uno de los protones emite un quark que es absorbido por otro gluón perteneciente al otro protón involucrado en la colisión. En este proceso, el gluón que emite el quark se desintegra en un antiquark, mientras que el gluón que absorbe el quark se desintegra en un quark. El quark y antiquark que resultan de estas dos desintegraciones colisionan entre sí para producir un bosón de Higgs. Esta forma de producir el bosón de Higgs se conoce como fusión de gluones. El bosón de Higgs es inestable y rápidamente se desintegra, por ejemplo en dos bosones W que a su vez se desintegran, cada uno de ellos, en un leptón (como por ejemplo, un electrón) y un neutrino. Así pues, una de las consecuencias de la existencia del bosón de Higgs (para el rango de masas adecuado) es un exceso estadístico en el número de colisiones cuyo producto final son dos leptones y dos neutrinos. Otros canales que se emplean en la búsqueda del Higgs son aquellos en los que el producto final son dos fotones o cuatro leptones. En general, los canales preferidos son aquellos que no involucran quarks, gluones o neutrinos en el producto final. En el caso de los quarks y gluones, esto es debido a que interaccionan a través de la interacción fuerte, luego producen tal cantidad de procesos que es muy difícil detectar el exceso estadístico que produciría el Higgs. Por otro lado los neutrinos, debido a que sólo interaccionan mediante la interacción débil, en general escapan del detector sin ser detectados.

A pesar de ser el experimento más poderoso hasta la fecha, el LHC no es el primero en buscar el bosón de Higgs. Existen importantes experimentos anteriores, como LEP o Tevatron, que intentaron probar sin éxito la existencia del Higgs, consiguiendo sin embargo poner cotas al valor de su masa. En particular, LEP mostró que en caso de existir el bosón de Higgs del Modelo Estándar, éste tendría que tener una masa superior a 114.4 GeV. Además, medidas precisas sobre procesos que involucran la interacción electrodébil mostraron que su masa no debería ser muy superior a esta cota. Por otro lado, el recién clausurado acelerador de partículas Tevatron, en el laboratorio americano Fermilab, excluyó la existencia del bosón de Higgs en el rango de masas 158 – 175 GeV. A estas cotas experimentales debemos añadir además la inconsistencia teórica del Modelo Estándar (pérdida de unitariedad) cuando la masa del Higgs es muy elevada.

La situación anterior al LHC se puede por tanto resumir en la siguiente figura:

Terminamos pues con una breve cronología de los sucesos más relevantes que han acontecido hasta ahora en el LHC en torno a la búsqueda del bosón de Higgs:

30 de marzo del 2010  Primeras colisiones en el LHC a 3.5 TeV por haz de protones. Comienza la acumulación de datos relevantes para el Higgs. Se trabaja en incrementar progresivamente la luminosidad de los haces.

17 de junio del 2011 Los dos principales detectores del LHC, ATLAS y CMS, acumulan cada uno una luminosidad integrada de 1 fb-1. Con esta cantidad de datos el potencial del LHC para detectar el Higgs supera al de experimentos anteriores.

22 de julio del 2011 Se presentan en Grenoble los primeros resultados del LHC sobre la búsqueda del Higgs, en la International Europhysics Conference on High Energy Physics (HEP-EPS). CMS excluye la existencia del bosón de Higgs del Modelo Estándar con masas en los rangos 149 – 206 GeV y 300 – 440 GeV. ATLAS excluye las regiones 155 – 190 GeV y 295 – 450 GeV. Ambos experimentos observan un cierto exceso (unas 3 desviaciones estándar) en el canal de dos leptones y dos neutrinos compatible con un Higgs con una masa de unos 130 – 140 GeV, junto con algunas colisiones cuyo producto final son cuatro leptones o dos fotones.

22 de agosto del 2011 Se presentan nuevos resultados en la conferencia Lepton-Photon, en Mumbai, basados en más cantidad de datos (en algunos canales hasta 2 fb-1 de luminosidad integrada). El Higgs del Modelo Estándar queda excluido en el rango de masas 145 – 466 GeV, excepto por una pequeña ventana en los 288 – 296 GeV. El exceso en la región 130 – 140 GeV se desvanece, se trataba de una fluctuación estadística.

18 de noviembre del 2011 ATLAS y CMS presentan en París la combinación de los datos presentados de agosto. El análisis combinado excluye la región 141 – 476 GeV.

23 de octubre del 2011 ATLAS y CMS acumulan cada uno una luminosidad integrada de 5 fb-1.

13 de diciembre del 2011  Se presentan nuevos resultados. Tanto ATLAS como CMS ven un exceso de unas 3 desviaciones estándar en torno a 125 GeV, en los canales donde el producto final son dos leptones y dos neutrinos, cuatro leptones o dos fotones (el pico de ATLAS se encuentra en 126 GeV mientras que el que observa CMS está en 124 GeV). La señal es consistente con lo que se esperaría observar con esta cantidad de datos si el bosón de Higgs existe y tiene esa masa. Por otro lado, ATLAS excluye la existencia del bosón de Higgs con una masa superior a 130 GeV o inferior a 115.5 GeV, mientras que CMS la excluye por encima de 127 GeV.

8 de febrero del 2012 CMS y ATLAS actualizan el análisis de los resultados presentados en diciembre. CMS observa un nuevo exceso en colisiones cuyo producto final son dos fotones y dos quarks. El exceso es compatible con los observados en los otros canales y sigue apuntando a la existencia del bosón de Higgs con una masa en torno a los 125 GeV.

7 de marzo del 2012 ATLAS y CMS presentan la actualización del análisis de sus datos en la conferencia de Moriond, en los Alpes franceses. Entre ambos detectores prácticamente dejan sólo sin excluir la posibilidad de un Higgs con una masa en el intervalo de 122.5 – 127.5 GeV, manteniéndose el exceso observado en torno a los 125 GeV. Por otro lado Tevatron presentó también un análisis de sus últimos datos recogidos antes de ser desmantelado, con ciertas mejoras en el análisis de canales que involucran la interacción fuerte y que son por lo tanto difíciles de analizar. En este nuevo análisis Tevatron observa un exceso de unos 2.5 sigmas en la región de 115 – 135 GeV, consistentemente con lo observado en el LHC.

Tras estos sucesos la figura anterior toma el siguiente aspecto a día de hoy:

Así pues, existe en estos momentos una gran expectación en la comunidad científica a que se confirme la existencia del Higgs con una masa en torno a los 125 GeV. Sin embargo, como ya hemos mencionado, con una seguridad estadística de tan solo 3 sigmas un descubrimiento no puede ser proclamado como tal. En cuanto a las reglas de la estadística se refiere, los excesos observados podrían no ser más que una fluctuación estadística, similar a lo que ocurrió con el exceso presentado en julio de 2011. Únicamente mediante las sucesivas mediciones y acumulación de datos que ocurrirán en el LHC en los próximos meses podremos saber finalmente si los sucesos que hemos relatado corresponden realmente a las primeras colisiones de partículas que involucran al bosón de Higgs.

 

Pablo González Cámara y Fernando Marchesano
Pablo González Cámara y Fernando Marchesano

Pablo González es investigador postdoctoral del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona.

Fernando Marchesano es investigador Ramón y Cajal del Instituto de Física Teórica del CSIC, Madrid.

Sobre este blog
A través de poderosos experimentos como el LHC, la fí­sica de altas energí­as está a punto de entrar en una emocionante etapa, llena de descubrimientos que se proclaman tales cuando hay cinco sigmas de seguridad. Desde aquí seguiremos las novedades que irán aconteciendo en este campo, y veremos cómo se van resolviendo viejos enigmas y se plantean otros nuevos.
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