lunes, 7 de julio de 2014

Sobre la posible violación del número leptónico gracias al bosón de Higgs

Dibujo20140707 collinear mass higgs to mu tau-e with 0-jet left and 1-jet right - cms lhc cern

La búsqueda de una señal de la desintegración de un Higgs en un muón y un leptón tau en CMS con 19,7 /fb de colisiones protón-protón del LHC a 8 TeV c.m. ha encontrado un pequeño exceso a 2,5 sigmas. Caso de que futuras colisiones a 13 TeV confirmen este resultado implicaría que la física del bosón de Higgs viola la conservación del número leptónico.
Por supuesto, lo más razonable ahora mismo es pensar que se trata de una fluctuación estadística, ya que este tipo de análisis de colisiones es delicado de realizar y el número de colisiones analizadas es bajo. No debemos olvidar que aún no se ha descubierto el Higgs usando solamente el canal ditau H → τ τ (se requieren cinco sigmas) y estamos muy lejos de ello en el canal dimuónico H → μ μ.
El artículo técnico es The CMS Collaboration, “Search for lepton flavor violating decays of the Higgs boson,” CMS PAS HIG-14-005, CERN CDS, 05 Jul 2014 [PDF]. Nos lo cuentan en plan divulgativo Tommaso Dorigo, “Does The Higgs Violate Lepton Flavour Number? A CMS Result Tickles Wild Fantasies,” A Quantum Diaries Survivor, 06 Jul 2014. Para los interesados en detalles teóricos, recomiendo Roni Harnik et al., “Flavor Violating Higgs Decays,” arXiv:1209.1397 [hep-ph].
La figura que abre esta entrada compara los datos observados (puntos negros) con el ruido de fondo (histogramas coloreados). A la izquierda se observan los sucesos sin chorros leptónicos (0-jet) que presentan un exceso bastante claro para un Higgs con una masa de unos 125 GeV. A la derecha se observan los sucesos son un chorro leptónico (1-jet) que presenta un exceso menos significativo. No se muestran otros resultados aún menos significativos en otros (sub)canales que también se han tenido en cuenta en el artículo técnico de CMS.
Dibujo20140707 upper limits by category for lfv higgs to mu tau decays - best fit branching ratios - cms lhc cern
Asumiendo que la señal es correcta, se puede estimar la tasa de desintegración del Higgs en un muón y un leptón tau, obteniéndose un valor combinado BR( H → μ τ ) = ( 0,89 ± 0,40 )%. Esta figura muestra la estimación para todos los (sub)canales separados que se han estudiado. Si se trata de una fluctuación estadística se esperaría un valor de BR( H → μ τ ) centrado en cero. Por supuesto, el error es muy grande y está dominado por la estadística (el número de colisiones analizado), pero el valor combinado (el punto rojo con su intervalo de error) está a 2,5 sigmas del cero.
Una fluctuación estadística aleatoria del ruido de fondo que de lugar a la señal observada tiene una probabilidad de 0,7% (valor p igual a 0,007). En otras áreas de la ciencia es poco probable que esta señal sea ruido, pero en física de partículas el estándar para un descubrimiento son cinco sigmas y por debajo de tres sigmas lo más razonable es pensar en el ruido.
Dibujo20140707 lepton flavor violating higgs into mu and tau - cms lhc cern
Si estás perdido y necesitas una aclaración, permíteme unos breves apuntes. La física del campo de Higgs del modelo estándar no viola el número leptónico de sabor, lo que quiere decir que un Higgs sólo puede desintegrarse en dos leptones (en realidad un par leptón-antileptón) del mismo sabor, es decir, dos electrones H → e e, dos muones H → μ μ, o dos leptones tau H → τ τ.
La violación del número leptónico de sabor implica la transformación de un leptón de un tipo en uno de otro tipo, es decir, un muón en un electrón μ→ e, un leptón tau en un muón τ → μ, o un leptón tau en un electrón τ → e. Esta transición podría estar mediada por el campo de Higgs. Dicha violación del número leptónico de sabor haría posibles las desintegraciones de un bosón de Higgs en dos leptones de diferente sabor, es decir, un electrón y un muón H → e μ, un muón y un leptón tau, H → μ τ, o un electrón y un leptón tau H → e τ.
Según experimentos previos recopilados por el Particle Data Group se sabe que BR ( H → e μ ) < O(10−8). Sin embargo, los límites actuales para las otras desintegraciones son bastante pobres, BR ( H → μ τ ) < O(10%) y BR ( H → e τ ) < O(10%). Por ello, la colaboración CMS se ha centrado en estudiar este tipo de desintegraciones del Higgs.
Lo importante de este nuevo trabajo es que se están preparando los programas informáticos para realizar este tipo de búsquedas con los datos de colisiones que se obtendrán en los próximos años. Si la señal crece, será motivo de Premio Nobel de Física. Si la señal desaparece, habremos mejorado mucho nuestro conocimiento sobre los sucesos de fondo en las desintegraciones del Higgs en leptones. Siempre se gana cuando se realiza ciencia de calidad.