La teoría sobre el Higgs es mucho más precisa que el experimento, por lo que los mayores errores tienen un origen estadístico (número de colisiones analizadas). Serán necesarias nuevas colisiones en el LHC en 2015 para refinar sus propiedades y ratificar poco a poco que coinciden con las predichas por la teoría.
Los nuevos resultados se basan en nuevos análisis de las colisiones en el LHC del CERN de 2011 (protón contra protón (pp) a 7 TeV c.m.) y de 2012 (pp a 8 TeV c.m.). Aún así, son resultados que han sido seguidos por muchos con gran interés durante la conferencia.
En mi opinión, lo más interesante es ver cómo se mejoran las técnicas de análisis para cuando haya nuevas colisiones.
Me basaré en los artículos ATLAS Collaboration, “Measurement of the Higgs boson mass from the H→γγ and H→ZZ*→4ℓ channels with the ATLAS detector using 25 fb−1 of pp collision data,” arXiv:1406.3827 [hep-ex], y CMS Collaboration, “Precise determination of the mass of the Higgs boson and studies of the compatibility of its couplings with the standard model This is a condensed description with plots for the analysis,” CMS-PAS-HIG-14-009, Jul 2014.
El canal pp→H→ZZ*→4ℓ
El “mejor” canal de desintegración (golden channel) para el descubrimiento del Higgs es el canal ZZ: la desintegración de un Higgs en dos bosones Z, uno de ellos virtual, y su posterior desintegración en cuatro leptones. Los cuatro leptones son dos parejas partícula-antipartícula (o leptón-antileptón) que pueden ser cuatro muones (4μ=µ+µ−µ+µ−), cuatro electrones (4e=e+e−e+e−), o dos muones y dos electrones (2μ2e=µ+µ−e+e−).
La señal es muy limpia (la relación señal/ruido es de 2:1 para masas del Higgs entre 120 y 130 GeV) y además los sucesos de fondo (pp→ZZ*→4ℓ) son fáciles de calcular con precisión. Además, la resolución en masa es muy buena, unos 1,6 GeV para el estado 4μ y unos 2,2 GeV para 4e.
Por ello, todo el mundo esperaba que el Higgs fuera descubierto en este canal.
Esta figura muestra las observaciones de ATLAS tras analizar 4,5 /fb de colisiones a 7 TeV y 20,3 /fb a 8 TeV. Para un Higgs con un masa de 125 GeV se esperaban observar 18,2 ± 1,8 sucesos de tipo Higgs, de los cuales 16,2 ± 1,6 corresponden al histograma en azul en la figura.
El fondo de sucesos en rojo corresponde a 7,41 ± 0,40 sucesos y en morado a 2,95 ± 0,33. La relación señal/ruido esperada es de 1,6. Por ello se esperaba observar 26,5 ± 1,7 sucesos. En los datos se han observado 37 sucesos que se interpretan como 10 sucesos de fondo y 27 bosones de Higgs.
Parecen pocos bosones de Higgs en este canal, pero son suficientes para determinar su masa con gran precisión, m(H) = 124,51 ± 0,52 (stat) ± 0,06 (syst) GeV, es decir, 124,51 ± 0,52 GeV (observa que esta valor está dominado por los errores estadísticos).
Además, permiten “descubrir” el Higgs con 6,6 σ (sigmas o desviaciones típicas), repito, sólo usando este canal.
Por cierto, con las colisiones analizadas se esperaba observarlo a sólo 4,4 σ, pero un exceso a favor ha permitido observar unos diez sucesos más de los esperados (37 en lugar de 26,5).
Por ello, la sección eficaz de desintegración en este canal que se ha observado es mayor que la predicha por el modelo estándar; el cociente es mayor que la unidad, en concreto, μ = 1,66+0,45−0,38 para una masa m = 124,5 GeV.
Este valor de μ es compatible con la unidad (el modelo estándar predice
μ = 1), porque su error es muy grande.
Todo indica que se irá reduciendo conforme se acumulen más colisiones el próximo año.
Por ello, este exceso tiene un origen estadístico y no se puede afirmar a la ligera que indica la existencia de nueva física más allá del modelo estándar.
Hay dos resultados nuevos en el ICHEP2014 que quiero destacar.
El primero es que la sección eficaz en la región del detector más confiable (llamada región fiducial) medida por ATLAS es de σ = 2,11 ± 0,53 (stat) ± 0,08 (syst) fb, un valor compatible con la predicción del modelo estándar de 1,30 ± 0,13 fb.
El segundo es la estimación de la anchura de la resonancia (Γ) asociada al Higgs, difícil de medir porque hay pocos datos, que se estima en Γ/ΓSM < 5,7 (este valor obtenido con 25 /fb de colisiones es inferior al esperado, Γ/ΓSM < 8,5). Hay que recordar que si la anchura fuera mayor de la predicha por el modelo estándar significaría que existen nuevas partículas aún no descubiertas.
Estos nuevos resultados sobre el canal ZZ aparecen en Gabriella Sciolla, “Measurement of cross sections and couplings of the Higgs boson in the ZZ decay channel using the ATLAS detector,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides].
Esta figura muestra las observaciones de CMS tras analizar 5,1 /fb de colisiones a 7 TeV y 19,7 /fb a 8 TeV.
Para un Higgs con un masa de 125 GeV se esperaban observar 17,3 ± 1,3 sucesos de tipo Higgs y para una masa de 126 GeV unos 19,6 ± 1,5 sucesos. Se han observado 25 sucesos tipo Higgs, parte de los cuales son sucesos de ruido de fondo; en azul se esperaban 6,8 ± 0,3 sucesos y en verde 2,6 ± 0,4 (totalizando 9,4 ± 0,5 sucesos de fondo).
De nuevo habrá quien opine que son pocos bosones de Higgs en este canal, pero son más que suficientes para determinar su masa con gran precisión, m(H) = 125,6 ± 0,4 (stat.) ± 0,2 (syst.) GeV, es decir, 125,60 ± 0,45 GeV. Además, permiten “descubrir” un Higgs con una masa de 125,6 GeV a 6,7 σ (nota que combinar esta certeza con la de ATLAS requiere tener en cuenta que las masas asignadas al Higgs son diferentes).
Para un Higgs con una masa de 125,6 GeV se obtiene una señal
μ = 0,93+0,26−0,23 para una masa m = 125,6 GeV. El modelo estándar predice μ = 1,00 ± 0,31 con los datos analizados. Más información en CMS Collaboration, “Measurement of the properties of a Higgs boson in the four-lepton final state,” Phys. Rev. D 89: 092007, 2014; arXiv:1312.5353 [hep-ex].
Estos resultados nos los ha presentado Adish Vartak, “Higgs Boson Production and Properties in the H→ZZ→4ℓ Channel,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides]. No hay novedades sobre los resultados previos, aunque quiero destacar la estimación de la anchura de la resonancia (Γ) asociada al Higgs presentada por Loic Quertenmont, “Constraints on the Higgs boson width from off-shell production and decay to ZZ with the CMS detector,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides]. La medida directa ofrece un valor de Γ < 3,4 GeV, todavía muy alejado de la predicción teórica ΓSM = 4,5 MeV. Sin embargo, una medida indirecta con el canal ZZ permite estimar Γ/ΓSM < 5,4 y un valor de ΓSM < 22 MeV.
El canal pp→H→γγ
El otro canal que permitió el descubrimiento del Higgs en julio de 2012 fue la desintegración del Higgs en dos fotones. El fotón no tiene masa, luego no se acopla al Higgs. Sin embargo, vía un bucle con tres bosones W se pueden producir dos fotones (con mucha menor probabilidad también se pueden producir mediante un bucle de tres quarks top).
Este canal permitió el descubrimiento porque por una fluctuación estadística a favor (tanto en ATLAS como en CMS) apareció reforzado respecto a las predicciones del modelo estándar.
Ello llevó a muchos físicos teóricos (incluido Nima Arkani-Hamed) a pensar en nueva física. Sin embargo, las colisiones de la segunda mitad del año 2012 y los nuevos análisis han bajado bastante este exceso, que se espera que desaparecerá con las colisiones de 2015.
Este canal es muy interesante porque tiene una resolución en masa entre 1,5 y 2,4 GeV en el rango de 120 a 130 GeV. La gran diferencia con el canal ZZ es que el número de sucesos de fondo es mucho más grande que la señal esperada. Estimar estos sucesos de forma teórica es difícil, por ello el error sistemático en este canal supera con mucho el error estadístico.
Quizás gran parte del exceso observado sea debido a los errores sistemáticos en el cálculo teórico del fondo (aunque estos cálculos han mejorado mucho recientemente).
Esta figura muestra los sucesos observados por ATLAS tras analizar 4,5 /fb de colisiones a 7 TeV y 20,3 /fb a 8 TeV. Se observan unos 30 sucesos de Higgs sobre un fondo de unos 490 sucesos (una relación S/N de 0,06).
En ATLAS han mejorado mucho las técnicas de análisis, lo que ha permitido reducir los errores sistemáticos por debajo de los errores estadísticos.
El valor de la masa estimado es de 125,98 ± 0,42 (stat) ± 0,28 (syst) GeV. Hay que destacar que este valor es 0,8 GeV más pequeño que el calculado en el verano de 2013 con los mismos datos de colisiones.
Lo más importante de este resultado de ATLAS es que el cociente entre la señal observada y la esperada se aproxima a la unidad (ha pasado de μ=1,55 a μ=1,29), en concreto, μ = 1,29 ± 0,30 para una masa m = 126 GeV (perfectamente compatible con la unidad). Todos estos resultados ya se publicaron en ATLAS Collaboration, “Measurement of the Higgs boson mass from the H→γγ and H→ZZ*→4ℓ channels with the ATLAS detector using 25 fb−1 of pp collision data,” arXiv:1406.3827 [hep-ex].
Los nuevos resultados en el ICHEP2014 nos los ha contado Sandrine Laplace, “Higgs Boson Decays to Photons with the ATLAS Detector,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [abstract;PDF slides].
Se publican los primeros análisis de la producción de dos bosones de Higgs acompañada de un par bottom-antibottom (en concreto de la desintegración doble HH→γγ+bb). Todavía este canal es poco sensible (hay cuatro eventos cuando se esperaba uno), pero esto mejorará mucho con nuevas colisiones.
Además se ha realizado una búsqueda de nuevas resonancias delgadas en el canal H→γγ entre 60 y 600 GeV; no se ha encontrado ninguna (aunque hay algunos excesos espurios para que saquen punta a sus lápices algunos blogueros).
En el caso de CMS se han analizado 5,1 /fb de colisiones a 7 TeV y 19,7 /fb a 8 TeV. Se observan muchos más sucesos que en ATLAS, unos 590 sucesos de Higgs sobre un fondo de unos 9250 sucesos (pero la relación S/N es muy similar a la de ATLAS, de unos 0,065). Este canal también permite un descubrimiento del Higgs a 5,7 σ (el valor esperado por las colisiones analizadas es de 5,2 σ). El valor de la masa estimado por CMS es de 124,70 ±0,31 (stat)±0,15 (syst) GeV, es decir, 124,70 ± 0,34 GeV. En este canal ya no se observa el gran exceso de julio de 2012.
El cociente entre la señal observada y la esperada es de 1,14+0,26−0,23, perfectamente compatible con la unidad. Todos estos resultados ya se publicaron en CMS Collaboration, “Observation of the diphoton decay of the Higgs boson and measurement of its properties,” arXiv:1407.0558 [hep-ex], y en Matteo Sani, “Precise Measurement of the Higgs Boson Mass With the CMS Detector,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [talk; slides pdf].
Combinación de los dos canales H→4ℓ y H→γγ
El Higgs fue anunciado en julio de 2012 gracias a la combinación de estos dos canales. Por ello, creo que conviene empezar describiendo la situación actual usando solamente dichos canales, para luego presentar datos en otros canales.
Recordemos el pasado en ATLAS. En julio de 2012 se habían analizado 11 /fb de colisiones resultando una masa combinada de 126,0 ± 0,4 (stat)± 0,4 (syst) GeV y una señal con µ = 1,4 ± 0,3.
En diciembre de 2012 se analizaron 18 /fb de colisiones resultando una masa de 125,2 ± 0,3 (stat) ± 0,6 (syst) GeV y una señal con µ = 1,35 ± 0,24. En julio de 2013 se analizaron los 25 /fb de colisiones disponibles por primera vez resultando una masa de 125,5 ± 0,2 (stat) ± 0,6 (syst) GeV y una señal con µ = 1,33 ± 0,21.
El nuevo resultado de julio de 2014 se basa en reanalizar los mismos 25 /fb de colisiones analizados en julio de 2013, pero usando nuevas técnicas mejoradas.
La masa combinada en ambos canales (H→γγ, y H→ZZ*→4l) nos ofrece ahora 125,36 ± 0,37 (stat) ± 0,18 (syst) GeV, es decir, 125,36 ± 0,41 GeV. Lo más llamativo del nuevo resultado es que los errores sistemáticos se han reducido en un factor de tres, aunque los errores estadísticos han subido un poco porque ahora se estiman mucho mejor (pues se conocen mejor los detectores). Nos ha presentado estos resultados Robert Harrington, “Measurement of the Higgs boson mass with the ATLAS detector,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides].
Lo más curioso de los datos de diciembre de 2012 y de julio de 2013 era el llamado “twin peaks” de ATLAS (la gran diferencia entre la masa en ambos canales que algún que otro bloguero asoció a la posible existencia de una pareja de Higgs gemelos con masa muy próxima).
Gran parte del esfuerzo en desarrollar nuevas técnicas de análisis en ATLAS ha tenido como objetivo entender este fenómeno.
En el nuevo resultado la distancia entre ambos picos gemelos se ha reducido bastante, en concreto de (126,8 − 124,3) en julio de 2013 a (126,0 − 124,5) en julio de 2014. Gracias a ello la distancia en la masa calculada con ambos canales se ha reducido de 2,5 σ a sólo 1,6 σ (para μ = 1). Casi con toda seguridad la causa de la discrepancia es el gran exceso en el canal ZZ que conduce a μ=1,66.
Con las nuevas colisiones de 2015 este valor acabará bajando y los picos gemelosdesaparecerán.
En el caso de CMS las estimaciones desde julio de 2012 han cambiado mucho menos que en ATLAS; la discrepancia entre ambos canales siempre ha sido pequeña, ahora es de 1,6 σ (la razón por la que en este blog siempre he considerado los picos gemelos de ATLAS como algo espurio).
En julio de 2012 se estimó una masa combinada de 125,3 ± 0,6 GeV y una señal con μ = 0,80 ± 0,20 (a 125 GeV). El valor combinado para la masa del Higgs en estos canales (H→γγ, y H→ZZ*→4l) es de 125,03 ± 0,27 (stat) ± 0,15 (syst) GeV, es decir, 125,03 ± 0,31 GeV (el valor ha cambiado muy poco y el error se ha reducido a la mitad). Nos lo contaron Matteo Sani, “Precise Measurement of the Higgs Boson Mass,” ICHEP2014, 3 Jul 2014 [PDF slides], y A. David, “What CMS Uncovered About the Boson,” ICHEP2014, 4 Jul 2014 [PDF slides]; permíteme una transparencia de esta última charla (“STAR HIGSS”).
Otros canales de desintegración
Resumir con el mismo detalle todo lo que sabemos sobre el Higgs en otros canales de desintegración nos llevaría bastante tiempo.
No quiero aburrirte más, sabiendo que la mayoría de los lectores de este blog no acaba leyendo las entradas largas.
Brevemente, en CMS se ha observado el Higgs en el canal H→WW*→2ℓ2ν a 5,8 σ, en el canal H→ττ (tau-antitau) a 3,7 σ, en el canal H→bb (bottom-antibottom) a 2,1 σ, y combinando estos dos últimos (H →ff, desintegración en fermiones) a 4,4 σ.
La señal combinada en todos los canales da μ = 1,00 ± 0,13, perfectamente compatible con el bosón del modelo estándar. Además se han presentado análisis preliminares en otros canales, como H→Zγ, o H→cc, o nuevos modos de producción como ttH, WH o ZH, que aún no son sensibles al Higgs pero que lo serán con los datos de colisiones de 2015.
Se ha determinado el espín de la nueva partícula confirmando que es un bosón escalar, descartando que sea un gravitón (espín dos) o un bosón pseudoescalar.
Más resultados sobre el Higgs gracias a CMS en esta página web.
Los resultados en ATLAS son similares. Por ejemplo, se ha observado el Higgs en el canal H→WW*→2ℓ2ν a 3,8 σ, y en el canal H→ττ (tau-antitau) a 4,1 σ. Todos los resultados sobre el Higgs en esta página web de ATLAS.
En resumen, ¿qué sabemos sobre el bosón de Higgs a día de hoy? Muchísimo, se han publicado decenas de artículos (ATLAS, CMS, Tevatrón). Pero queremos saber mucho más.
Las predicciones teóricas son muy precisas y confirmar la mayoría de ellas requerirá décadas de investigación. La primera fase de colisiones del LHC (Run I) ha permitido descubrir esta partícula, pero conocer sus propiedades con precisión requiere una máquina específica (ni el Run II ni el Run III del LHC pueden sustituir a una futura fábrica de Higgs).
Espero no haber aburrido mucho con esta entrada y que el lector que quería ver los últimos resultados sobre el Higgs haya quedado satisfecho.
Aunque la curiosidad nunca se satisface del todo.
francis.naukas
