Artículo publicado por Kurt Riesselmann el 22 de julio de 2011 en Symmetry Breaking

Experimentos en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y el centro europeo de física de partículas (CERN), están investigando la región de masa final restante donde podría estar merodeando la partícula de Higgs. A lo largo de los próximos siete días, las colaboraciones CDF y DZERO del Fermilab y ATLAS y CMS del CERN anunciarán sus últimos resultados en la conferencia de Física de Alta Energía en la Sociedad Física Europea.

Los científicos de Fermilab y CERN emplean métodos muy similares para crear el Higgs: Acelerar partículas a altas energías usando los aceleradores más potentes del mundo, el Tevatron (1 TeV de energía del haz) y el Gran Colisionador de Hadrones (3,5 TeV), hacer chocar las partículas entre sí, y bucear entre el gran número de nuevas partículas que surgen de esas colisiones. Pero para encontrar una partícula de Higgs entre las muchas partículas creadas, los equipos de científicos se centran en diferentes señales.

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LHC cerca del punto 5 © by µµ

Si existe la partícula de Higgs y tiene las propiedades predichas por el modelo de Higgs más simple, que toma su nombre del físico escocés Peter Higgs, entonces los colisionadores del CERN y Fermilab ya deben estar produciendo partículas de Higgs. Pero encontrar la reveladora señal de un bosón de Higgs entre todo el resto de señales de partículas es como buscar una gota de tinta en un océano. Sólo si los aceleradores producen cada vez más colisiones los científicos tendrán una opción de encontrar suficientes pruebas de la partícula de Higgs.

Dónde buscar

El mecanismo de Higgs, desarrollado en la década de 1960 por distintos grupos independientes de teóricos, explica por qué algunas partículas fundamentales tienen masa y otras no. Su marco de trabajo matemático encaja perfectamente en una de las teorías con más éxito de la ciencia: El Modelo Estándar de partículas y fuerzas elementales.

Los experimentadores que bucean a través de datos de un experimento tras otro han terminado con las manos vacías; en lugar de encontrarlo han descartado cada vez mayores bandas del territorio potencial del Higgs. Un análisis del grupo GFitter de medidas de precisión y las restricciones directas e indirectas sobre la masa del Higgs indican que en el modelo más simple de Higgs, las partículas de Higgs deberían tener una masa entre aproximadamente 115 y 137 miles de millones de electrón volts (GeV)/c², o unas 100 veces la masa del protón.

La búsqueda del Higgs en el Tevatron

En el Tevatron del Fermilab, los científicos intentan producir partículas de Higgs impactando protones y antiprotones, partículas compuestas que constan de bloques básicos elementales. Cuando un protón y un antiprotón impactan entre sí a altas energías, los científicos observan las colisiones e interacciones de estos componentes, tales como quarks, antiquarks y gluones. Esas colisiones subatómicas transforman la energía en nuevas partículas que pueden ser más pesadas que los propios protones, como se predice en la famosa ecuación de Einstein E=mc².

Los científicos del Tevatron han llevado a cabo simulaciones detalladas de tales colisiones y encontraron que la mejor posibilidad de producir, digamos, un bosón de Higgs de 120 GeV en el Tevatron son las colisiones quark-antiquark que crean un bosón W de alta energía. Este bosón W tiene una posibilidad de gastar su energía extra en generar un bosón de Higgs de vida corta. El bosón W y el bosón de Higgs decaerían entonces en partículas más ligeras que pueden captarse e identificarse por los detectores de partículas CDF y DZero, que rodean los puntos de colisión de protón-antiprotón del Tevatron.

De acuerdo con el Modelo Estándar, tal bosón de Higgs de 120GeV decaerá el 68 por ciento de las veces en un quark bottom y un quark anti-bottom. Pero otros procesos de colisión y decaimiento de partículas también producen quarks bottom y anti-bottom. Identificar un exceso de estas partículas debido al decaimiento del bosón de Higgs es la mejor opción para que los científicos del Tevatron hagan un descubrimiento o descarten un Higgs del Modelo Estándar.

En la conferencia EPS, CDF y DZero informarán (nota de prensa en inglés) de que, por primera vez, las dos colaboraciones han aplicado con éxito técnicas bien establecidas usadas para la búsqueda del bosón de Higgs para observar colisiones extremadamente raras que producen pares de bosones pesados (WW o WZ) que decaen en quarks pesados. Este conocido proceso imita perfectamente la producción de un bosón W y una partícula de Higgs, con el Higgs decayendo en un quarks bottom y un antiquark.

La búsqueda del Higgs en el LHC

En el LHC, situado en la frontera Franco-Suiza, los científicos hacen chocar protones entre sí. Debido a que el LHC funciona en energías de colisión superiores a las del Tevatron, cada colisión produce de media muchas más partículas que una colisión en el Tevatron. En particular, el LHC inunda sus detectores de partículas con quarks bottom y anti-bottom creados por muchos tipos distintos de procesos subatómicos. Por esto se hace más difícil encontrar esta particular “gota de tinta en el océano” que en el Tevatron” – un exceso de de quarks bottom y antibottom en los datos del LHC debidos a la partícula de Higgs.

En la conferencia EPS, científicos de ATLAS demostraron que deberían haber sido capaces de excluir el bosón de Higgs entre un rango de masas de 130 y 200 GeV/c², pero en lugar de eso la colaboración vio un exceso de eventos en el rango de 130 a 155 GeV/c², como informa el físico de ATLAS Jon Butterworth en su blog de The Guardian. Podría ser una fluctuación, pero podría ser la primera pista de una señal del Higgs. Geoff Brumfiel escribe para Nature News que el experimento CMS también ve un exceso en el rango de 130 a 150 GeV/c². (El físico de CMS Tommaso Dorigo ha publicado gráficos relevantes sobre la búsqueda del Higgs en CMS en su blog).

Combinados, los dos experimentos del LHC deberían tener suficientes datos para decir a final de verano si este exceso es real o no. Los experimentos del Tevatron también están acercándose a tener la sensibilidad para una partícula de Higgs cercana a 150 GeV. Aquí hay un nuevo resultado de DZero: la línea punteada , que indica la sensibilidad, se aproxima a 1 cerca de 150 GeV, pero la línea sólida, que es la observación real, está significativamente por debajo de 1, aunque difere de lo esperado en sólo un nivel de 1 a 1,5 sigma. Resumen: Los científicos de DZero no pueden excluir el bosón de Higgs en este rango. Y aquí está el nuevo resultado de CDF: De nuevo, para una masa del Higgs cercana a 150 GeV/c², la sensibilidad se aproxima a 1, y las restricciones observadas para el Higgs concuerdan con lo esperado. (Observa que DZero muestra una 1-sensibilidad y CDF muestra sensibilidad; por esto es por lo que la curva está por encima de 1). El miércoles 27 de julio, CDF y DZero presentarán sus resultados combinados para este rango de masa en la conferencia EPS. La sensibilidad de los resultados combinados de CDF y DZero estará más cerca de 1 en 150 GeV/c².

Para un bosón de Higgs ligero, los científicos del LHC se centran en una producción y proceso de decaimiento muy diferente del Higgs, complementario a la búsqueda del Higgs en el Tevatron. Simulaciones detalladas de colisiones protón-protón de alta energía han demostrado que la mejor opción de captar, digamos, una partícula Higgs del Modelo Estándar a 120 GeV en el LHC es buscar un bosón de Higgs que surja de la colisión de dos gluones, seguido de su decaimiento en dos rayos gamma de alta energía. Éste es un proceso extremadamente raro dado que el bosón de Higgs no interacciona directamente con los gluones sin masa y rayos gamma. En lugar de esto, la producción del Higgs y su decaimiento tienen lugar a través de bucles intermedios masivos de quarks-antiquarks, que pueden aparecer temporalmente en procesos subatómicos, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica. El bucle intermedio, sin embargo, puede hacer que este proceso sea mucho más extraño. En particular, el decaimiento de un bosón de Higgs del Modelo Estándar de 120 GeV en dos rayos gamma sucede sólo una vez de cada 500. De aquí que los científicos del LHC necesiten recopilar un número lo bastante grandes de colisiones protón-protón para observar este proceso.

¿Por qué creemos que existe la partícula?

El descubrimiento en la década de 1980 de partículas pesadas portadoras de fuerza, conocidas como bosones W y Z, confirmaron predicciones cruciales realizadas por el Modelo Estándar y el modelo de Higgs más simple. Desde entonces, posteriores descubrimientos y medidas de precisión de las interacciones de partículas han confirmado la validez del Modelo Estándar muchas veces. Ahora parece casi imposible explicar la gran cantidad de datos de partículas sin el mecanismo del Higgs. Pero un ingrediente crucial de esta fabulosa receta de partículas ? el propio bosón de Higgs ? ha permanecido oculto en gran medida.¿Existe?¿Cuánto pesa?¿Interacciona con quarks y otras partículas masivas como se espera? Estas cuestiones mantendrán ocupados a los científicos durante los próximos años.

Autor: Kurt Riesselmann
Fecha Original: 22 de julio de 2011
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