El estudio del origen de la masa del bosón de Higgs en el LHC

El origen de la masa del bosón de Higgs es la autointeracción del campo de Higgs, es decir, que el campo de Higgs se acopla con el propio campo de Higgs. Según la teoría del modelo estándar este acoplamiento trilinear está cuantificado por λ = 0,129. ¿Se podrá verificar este valor usando las colisiones del LHC? No, lo siento, se requiere un mímimo de 3 /ab = 3000 /fb de colisiones protón contra protón a 14 TeV c.m. El LHC debería alcanzar tras el Run 3 unos 300 /fb. Será necesario el futuro HL-LHC, la versión de alta luminosidad del LHC, que acumulará 3000 /fb alrededor de 2035 (si acaba siendo construido).

Para un Higgs de 125 GeV/c² la sección eficaz de producción de dos Higgs en una colisión protón contra protón a 14 TeV es de 39,56 fb (para 13 TeV c.m. es de 33,45 fb). No podemos observar todos los pares de Higgs producidos. Se requiere producir al menos cien veces más Higgs de los que se observarán, de ahí que sean necesarios unos 3 /ab de colisiones. El objetivo del LHC Run 3 es acumular unos 300 /fb de colisiones a 14 TeV para finales del año 2022. El futuro del LHC no está claro y hay varias opciones. Una de las más prometedoras es el HL-LHC, que como pronto debería ser construido a principios de 2023, empezaría sus colisiones en 2027, y acumularía 3000 /fb como muy tarde en 2037.

Más información técnica en “LHC Higgs Cross Section HH Sub-group,” LHC Physics, Twiki CERN, 2016. Casi todas las conferencias sobre el Higgs tienen una charla sobre este tema. Las figuras de esta entrada están extraídas de Martino Dall’osso, “DiHiggs and Prospect at ATLAS and CMS,” International Symposium on Higgs Boson and Beyond Standard Model Physics, 15-19 August 2016 [contribution].

Peter Higgs y François Englert (Robert Brout se quedó sin él por su deceso) recibieron el premio Nobel de Física de 2013 por el descubrimiento teórico del mecanismo de Brout–Englert–Higgs para la rotura espontánea de la simetría y la predicción teórica de la existencia de la partícula de Higgs. Sin embargo, su modelo teórico aún no ha sido confirmado, pues predice un potencial concreto de autointeracción para el campo de Higgs (por cierto, el más sencillo concebible). Para comprobar que dicho modelo teórico es correcto (y no sonrojar al Comité Nobel por haberle dado el Nobel a los físicos equivocados) es necesario verificar que el acoplamiento entre tres Higgs cumple λHHH = λSM = 0,129 (para mH = 125 GeV/c²).

¿Qué pasaría si sobre el año 2035 se mide y resulta que λHHH ≠ 0,129? Hay dos opciones posibles. Si no existe nueva física más allá del modelo estándar, resultará que el modelo teórico para el potencial de autointeracción del Higgs es incorrecto (su forma será más complicada que la más sencilla posible). Hay muchas variantes que se han publicado en los últimos 50 años y será necesario un colisionador de partículas específico (una fábrica de Higgs), o un colisionador más energético que el HL-LHC, para determinar el potencial correcto. Hay mucha física en el modelo estándar que aún no ha sido verificada que exigirá futuros colisionadores. Quizás un futuro colisionador chino a 100 TeV c.m. nos desvele el potencial del campo de Higgs sobre el año 2050. Si resulta ser uno de los ya publicados y sus autores no han fallecido para esa fecha, deberían recibir un merecido premio Nobel.

Pero hay otra opción, que exista física más allá del modelo estándar. Podría ocurrir que no hubiera ninguna señal de dicha física en 2035 y que el primer indicio fuera λHHH ≠ 0,129. Entre 2035 y 2050 se buscarían otras señales para aclarar su naturaleza y un nuevo colisionador sería imprescindible. Pero también podría ocurrir que en 2035 ya haya indicios (o incluso señales claras) de nueva física más allá del modelo estándar. Más aún, incluso podría ocurrir que dichos indicios se hayan observado en las colisiones del LHC que muestran dos bosones de Higgs.

Por ello, incluso hoy en día, cuando no hay ninguna esperanza de observar un pareja de Higgs en el LHC, se está buscando dicha señal. La física más allá del modelo estándar podría dar lugar a su observación por múltiples canales. Los modelos supersimétricos (que predicen nuevas partículas de Higgs), la existencia de una nueva partícula escalar que se acople al Higgs, o incluso la existencia de dimensiones extra gigantes en el espacio (que predicen la existencia de gravitones de Kaluza–Klein y partículas escalares de tipo radión) podrían conducir (para valores adecuados de sus parámetros) a la observación de dicha señal en el LHC (aunque también podrían estar fuera de su alcance).

El bosón de Higgs se observó en 2012 en los canales H→γγ (Higgs a dos fotones) y H→ZZ→ℓℓℓℓ (Higgs a cuatro leptones vía dos bosones Z). Observar la producción de dos Higgs usando ambos canales en el LHC es imposible. Por ello se considera que el canal más prometedor es HH→bbXX (un Higgs se desintegra en un par bottom-antibottom y el otro Higgs se desintegra en otro canal), donde XX = bb, WW, ττ, γγ; también se podría observar una señal en los canales HH→γγWW y HH→WWWW.

Por supuesto, en estos canales no se observará nada de nada si no existe física más allá del modelo estándar (BSM) que amplifique la producción de parejas de Higgs. Pero la búsqueda es necesaria y por ello ya ha sido emprendida por CMS y por ATLAS, enmarcada entre las búsquedas BSM. Las búsquedas para unas 20 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. (LHC Run 1 en el año 2012), que, por supuesto, no han observado nada, se publicaron en: ATLAS Collaboration, “Searches for Higgs boson pair production in the hh→bbττ, γγWW∗, γγbb, bbbb channels with the ATLAS detector,” Phys. Rev. D 92: 092004 (2015), doi: 10.1103/PhysRevD.92.092004, arXiv:1509.04670 [hep-ex]; CMS Collaboration, “Search for heavy resonances decaying to two Higgs bosons in final states containing four b quarks,” Eur. Phys. J. C 76: 371 (2016), doi: 10.1140/epjc/s10052-016-4206-6,arXiv:1602.08762 [hep-ex]; CMS Collaboration, “Searches for a heavy scalar boson H decaying to a pair of 125 GeV Higgs bosons hh or for a heavy pseudoscalar boson A decaying to Zh, in the final states with h to tau tau,” Phys. Lett. B 755: 217 (2016), doi:10.1016/j.physletb.2016.01.056, arXiv:1510.01181 [hep-ex]; y CMS Collaboration, “Search for two Higgs bosons in final states containing two photons and two bottom quarks,” Submitted to Phys. Rev. D, arXiv:1603.06896 [hep-ex].

Este año se están publicando las primeras búsquedas en el LHC Run 2 con colisiones a 13 TeV c.m. recabadas en 2016. Los interesados pueden consultar: ATLAS Collaboration, “Search for pair production of Higgs bosons in the bbbb final state using proton-proton collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector,” arXiv:1606.04782 [hep-ex]; “Search for Higgs boson pair production in the bbγγ final state using pp collision data at sqrt(s)=13 TeV with the ATLAS detector,” ATLAS-CONF-2016-004; “Search for Higgs boson pair production in the final state of γγWW∗→lνjj using 13.3 fb−1 of pp collision data recorded at √s=13 TeV with the ATLAS detector;” ATLAS-CONF-2016-071; CMS Collaboration, “Search for resonant pair production of Higgs bosons decaying to two bottom quark-antiquark pairs in proton-proton collisions at 13 TeV,” CMS-PAS-HIG-16-002; “Search for heavy resonances decaying to a pair of Higgs bosons in the four b quark final state in proton-proton collisions at √s= 13 TeV,” CMS-PAS-B2G-16-008; “Search for resonant Higgs boson pair production in the bbℓνℓν final state at √s= 13 TeV,” CMS-PAS-HIG-16-011; “Search for resonant Higgs boson pair production in the bbττ final state using 2016 data,” CMS-PAS-HIG-16-029; “Search for Higgs boson pair production in the bbℓνℓν final state at √s= 13 TeV,” CMS-PAS-HIG-16-024; “Search for non-resonant Higgs boson pair production in the bbττ final state using 2016 data,” CMS-PAS-HIG-16-028; “Search for non-resonant pair production of Higgs bosons in the bbbb final state with 13 TeV CMS data,” CMS-PAS-HIG-16-026; “Search for H(bb)H(γγ) decays at √s= 13 TeV,” CMS-PAS-HIG-16-032.

Resumir todas y cada de estas búsquedas en diferentes canales está más allá de los objetivos de esta entrada. El resumen más breve posible es que, como se esperaba, no se ha observado nada. Por supuesto, lo importante es que nos ilustran la intensa labor que se está realizando. 

El entrenamiento de los físicos y el ajuste de los algoritmos que realizan estas búsquedas es muy importante conforme el número de colisiones del LHC Run 2 vaya creciendo. ATLAS y CMS ya han acumulado 25 /fb de colisiones y aún quedan 7 semanas más de colisiones protón contra protón (no es arriesgado soñar con acumular 50 /fb a finales de 2016).

Las simulaciones por ordenador de la física que se espera poder observar con el HL-LHC son muy prometedoras y por ello este tipo de búsquedas son importantes. Cuando mucha gente se pregunta por qué son necesarios futuros colisionadores de partículas la respuesta está clara: porque hay mucho que seguir explorando dentro del modelo estándar y porque en los estudios de precisión del modelo estándar se ocultarán los primeros indicios de nueva física más allá.