La búsqueda del bosón de Higgs en el Tevatrón y cómo el cerco se cierra 

Buscar el bosón de Higgs en un acelerador de partículas basado en colisiones de hadrones (como el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN) no es nada fácil. Por un lado, los muchísimos bosones de Higgs que se cree que se producen cada segundo en dichos colisionadores se desintegran (la mayoría de las veces) de tal forma que es muy fácil confundir el resultado observado con otras desintegraciones en las que no se ha producido ningún Higgs (la relación señal/ruido es muy baja). Y por otro lado, los modos de desintegración del Higgs cuya señal es muy fácil de distinguir del resto son muy raros y estudiarlos de forma sistemática requiere un número de colisiones acumuladas enorme. Cada modo posible de desintegración de un bosón de Higgs requiere una búsqueda específica y un análisis estadístico muy cuidadoso para poder ofrecer algún tipo de información sobre esta partícula. Una vez el Higgs sea descubierto, estudiar sus propiedades será más fácil porque todas las búsquedas irán a tiro fijo. Mientras tanto, casi dando palos de ciego, los físicos de partículas estudian la infinidad de posibilidades tratando de rascar la superficie de la realidad, que esconde al Higgs igual que en el pasado ha escondido a otras partículas. Permitidme desglosar algunos ejemplos recientes de esta búsqueda incansable que desalienta a todos los haraganes. Me centraré hoy en los resultados del experimento CDF y en próximos días consideraré los resultados de DZero. Además, me gustaría resaltar la importancia del número de colisiones utilizadas en cada análisis (los inversos de femtobarn, escritos así fb-1, o a veces así /fb). Como es de esperar los resultados son más fiables conforme el número de colisiones es mayor pero esto es algo que no hay que olvidar. El descubrimiento del Higgs require acumular muchas colisiones y lograrlo requiere mucho tiempo.
  
 

Las búsquedas más interesantes de un bosón de Higgs de baja masa en el Tevatrón se basan en la producción conjunta de un bosón vectorial W/Z y un Higgs (H), los llamados canales WH y ZH, en los que el bosón W/Z decae en leptones (electrones, muones, …) y el Higgs en dos quarks bottom (bbar) que producen 2 chorros (jets) de partículas. Bárbara Álvarez et al. (CDF Collab.), “Standard Model Higgs Boson Production in Association with a W Boson using Matrix Element Technique with 5.6 fb-1 of CDF Data,” CDF II Results, 14 jul. 2010 [pdf], han estudiado el canal WH utilizando 5’6 fb-1 de colisiones en CDF II recogidas entre 2002 y 2010 (el año pasado se publicó un estudio similar con solo 4’8 fb-1). No han observado el Higgs en el rango de masas estudiado, de 100 a 150 GeV/c², pero tampoco pueden descartar que exista. Han calculado el cociente entre el número de eventos que podrían ser del Higgs (posibles candidatos) y el número de eventos esperados según el modelo estándar si el Higgs no existiera. Se puede descartar que el bosón de Higgs tenga cierta masa si este número es menor que la unidad para dicha masa. Bárbara y sus colegas han encontrado valores entre 2’1 y 35’3 en el rango de masas estudiado. No descartan la existencia de un Higgs de baja masa, pero el cerco se cierra poco a pco. La figura de la izquierda muestra los resultados que han obtenido (para colisiones con 2 y 3 jets, en la página web también podéis ver estos resultados por separado).

  
  

Una búsqueda en cierto canal se puede realizar por diferentes métodos de análisis de datos. En el mismo canal, WH, pero con otro método, encontramos el análisis que nos presentan Yoshikazu Nagai et al. (CDF Collab.), en “Search for Standard Model Higgs Boson Production in Association with a W Boson using Neural Networks with 5.7fb-1 of CDF data,” CDF II Results, 13 Jul. 2010. La luminosidad integrada (número total de colisiones) estudiada es algo mayor, 5’7/fb. Obviamente tampoco han encontrado el Higgs pero como podéis observar a la derecha, la curva para el intervalo de confianza de la hipótesis sobre la inexistencia del Higgs en el rango entre 100 y 150 GeV/c² conduce a un resultado diferente, aunque similar. Para 115 GeV/c² el valor del cociente es de 4’47 y en el rango completo de masas los valores se encuentran entre 1’98 y 44’3. Como veis son valores comparables a los obtenidos en el análisis anterior.


 

Otro canal muy estudiado (lo fue con 3’0 (feb. 2009), 3’6, 4’8, 5’3 y ahora con 5’9 fb-1) es el canal H→WW, para un Higgs con masa mayor de 135 GeV/c², cuyo producto final son dos leptones cargados (e o μ) y dos neutrinos (energía perdida en la colisión). Los nuevos estudios de Doug Benjamin et al. (CDF Collab.), “CDF Search for Higgs to WW* Production using a Combined Matrix Element and Neural Network Technique,” CDF II Results, 14 Jul. 2010, y “CDF Search for Higgs to WW* Production in the eτ and μτ final states,” CDF II Results, 13 Jul. 2010, han encontrado 2070 eventos candidatos (señal) a la producción de Higgs, lo que no significa que hayan encontrado esta partícula, ya que se esperaba obtener unos 2108 ± 190 eventos de fondo (ruido). Si supiéramos que el Higgs existe y qué masa tiene sabríamos cuales de estos eventos candidatos son realmente observaciones del Higgs y cuales no. Como no lo sabemos, solo podemos realizar análisis estadísticos y el resultado es la figura que tenéis a la izquierda. Por primera vez en la historia un experimento solamente (CDF) es capaz de descartar la existencia del Higgs en cierto rango de masas. Los datos combinados con DZero que nos contarán en los próximos días en el ICHEP prometen ser muy interesantes.
Este tipo de estudios combinados (dentro de un mismo experimento, CDF en este caso), en los que simultáneamente se estudian varios canales, suelen ser más interesantes que los estudios individuales. A. Apresyan et al. (CDF Collab.), “Search for the Standard Model Higgs boson in the Missing ET and b-jet Signature in 5.7 fb-1 of CDF data,” CDF II Results, 5 Jul. 2010, han buscado el Higgs en varios canales W/Z, en concreto, cuando el Higgs decae H→bb, y el bosón vectorial que le acompaña decae en Z→νν (dos neutrinos), W→ l ν (leptón y neutrino),  Z→ ll (dos leptones) y cuando estos leptones escapan a los detectores. Han considerado 5’7 fb-1 de colisiones. Sin entrar en más detalles, me gustaría destacar su figura final en la que se observa que hay cierta evidencia hacia un Higgs con una masa de 115 GeV/c², como ya había apuntado LEP II en el CERN, pero la evidencia todavía es muy parca.

  


Un análisis parecido, pero utilizando un canal menos prometedor, la descomposición de un Higgs en un par de leptones tau, es el que han seguido Pierluigi Totaro et al. (CDF Collab.), “Search for a low mass Standard Model Higgs boson in the ττ decay channel,” CDF II Results, 10 jul. 2010. Tanto la fusión de dos gluones como la colisión de dos quarks puede producir un Higgs que puede decaer en dos taus (a la derecha dos diagramas de Feynman típicos de este proceso). Este canal ha sido poco estudiado, por ello Totaro y sus colegos solo han utilizado 2’3  fb-1 de colisiones en CDF II. Tampoco han observado el bosón de Higgs (han estudiado uno de baja masa en el rango de 100 a 150 GeV/c²). Si comparamos las observaciones con la hipótesis de que el Higgs no exista, gráfico de abajo con la banda verde y amarillo, se ve claramente que a menos colisiones acumuladas estudiadas para este canal, peor es nuestra certeza sobre la posible existencia del Higgs. Los valores observadso se encuentran entre 37’6 y 67’0, siendo el valor mínimo 25’3 (lo aclaro porque la escala es logarítmica). Mientras estos valores estén por encima de 1 nos dan muy poca información sobre la no existencia del Higgs. Además, mientras la curva observada (línea continua) se encuentre dentro de la banda verde-amarilla, nada podemos saber sobre su existencia.




Como veis un estudio con menos de la mitad colisiones que los estudios anteriores da muy poca información (mejor dicho, mucha menos información). Quizás esta última figura os da una idea de lo que supondrán más colisiones en el Tevatrón, que estará en funcionamiento hasta finales de 2011, salvo que logren una prórroga de un par de años más. Todo está en manos del presupuesto del gobierno americano que tendrán que tomar la decisión final. Más tiempo con un colisionador de hadrones con una energía en el centro de masas de 1’96 TeV supone mejorar con mucho las posibilidades de obtener información importante sobre el bosón de Higgs y en el mejor caso encontrar dicha partícula antes que el LHC del CERN que hasta finales del año que viene no nos dirá todo lo que es capaz de dar de sí.

No hay comentarios: