Ya es oficial, el bosón de Higgs, si existe

Ya es oficial, el bosón de Higgs, si existe,

 tiene una masa entre 114 y 141 GeV/c² al 95% C.L.;  más aún, en la región de masas permitida hay pequeños excesos, de solo 1,6 σ, que podrían ser una fluctuación estadística

 o la primera señal del Higgs. 

Ya es oficial porque se ha publicado la nueva gráfica de exclusión del bosón de Higgs del LHC en el CERN que combina las colisiones de sus dos grandes detectores, ATLAS y CMS.

 Como en el caso de la búsqueda del Higgs en el Tevatrón del Fermilab, donde se combinan los datos de las colisiones de sus dos detectores, CDF y DZero, estas combinaciones permiten duplicar el número de colisiones estudiadas de forma efectiva. 

Muchos esperábamos que la combinación del LHC se publicó en agosto de 2011, pero hemos tenido que esperar hasta el 18 de noviembre; la ha presentado Gigi Rolandi, “Higgs Status and combinations,” HPC 2011, y el artículo técnico es The ATLAS and CMS Collaborations, “Combined Standard Model Higgs boson searches with up to 2.3 fb−1 of pp collision data at 7 TeV at the LHC,” ATLAS-CONF-2011-157, CMS PAS HIG-11-023, November 14, 2011 (las tablas 3-6 presentan los valores numéricos de todos los datos dibujados en la figura de arriba para facilitar su uso). 

Gigi comenta que también se van a combinar los datos del LHC con los del Tevatrón, pero que dicho resultado no aparecerá hasta el verano próximo, cuando también se publique la última figura de exclusión del Higgs

 del Tevatrón utilizando todas sus colisiones (unos 10 /fb por experimento).

 En febrero, o quizás marzo, del año que viene se publicarán también los nuevos límites de exclusión (separados) de ATLAS y CMS con los más de 5 /fb de colisiones de 2012.

Comparando el resultado del LHC (curva negra con puntos) con el del Tevatrón (curva azul continua) se observa que con 8 veces menos colisiones analizadas el LHC obtiene un resultado mejor para masas entre 120 y 200 GeV, aunque el Tevatrón gana para masas bajas entre 110 y 120 GeV. 

En este sentido ambos experimentos se complementan y una combinación LHC+Tevatrón resulta interesante. 

Por supuesto, cuando se analicen todas las colisiones del LHC obtenidas en 2012 los resultados serán comparables, pero al LHC le costará mucho incrementar su sensibilidad para masas muy bajas (próximas a 115 GeV).

Este nuevo resultado quizás no sorprenda a muchos, sobre todo porque es similar al que ya obtuvo Philip Gibbs en su blog, como nos comenta en detalle en “New Higgs Combinations Released,” viXra log, Nov. 18, 2011; Philip también se atrevió a combinar LHC+Tevatrón, es decir, ATLAS+CMS+CDF+DZero. 

El trabajo de Philip se basa en un análisis estadístico que no tiene en cuenta en detalle las fuentes de los errores en los datos, pero que gracias al teorema central del límite obtiene un resultado bastante bueno de una forma

 muy rápida. 

El análisis técnico del nuevo artículo es mucho más complicado.

 Los datos de cada canal de búsqueda del Higgs tanto en ATLAS como en CMS son combinados y se construye una curva de exclusión para dicho canal 

con un buen control del error.

 Cada una de estas combinaciones con su error es combinada a su vez hasta obtener la figura final.

 Lo más difícil en esta combinación es el control preciso de los errores sistemáticos que se cometen, que requiere un uso intensivo de CPU

 para el análisis. 

El protocolo detallado para realizar este análisis se publicó este verano, en agosto, pero se han necesitado varios meses para ponerlo en marcha y llevarlo a cabo con éxito.

 Si algún día se quiere proclamar la exclusión del Higgs (o su descubrimiento) en los datos combinados de ATLAS+CMS este proceso ha de ser llevado a cabo con absoluto rigor.

Muchos se han hecho eco de este nuevo resultado de exclusión del Higgs, como Geoff Brumfiel, “Higgs hunt enters endgame.

 Large Hadron Collider could soon deliver a clear verdict on missing boson,” Nature News, 18 November 2011 [Scientific American]; Jester, “New Higgs combination is out,” Résonaances, Nov. 18, 2011; Peter Woit, “Higgs Non-News,” Not Even Wrong, Nov. 18, 2011; y Tommaso Dorigo, “LHC Combination Of Higgs Limits: MH<141 GeV,” A Quantum Diaries Survivor, Nov. 19, 2011.

Por cierto, Peter Woit (y Jester) apuntan a rumores que afirman que uno de los experimentos (ATLAS o CMS) no ha observado excesos en los nuevos datos de colisiones alrededor de 120 GeV, aunque el otro experimento ha encontrado un pequeño exceso en el canal ZZ->4l.

 Por supuesto, los rumores son solo eso, rumores. 

También se rumorea que se pueda publicar algo al respecto en diciembre de este año (mi opinión es que lo dejarán para febrero o marzo de 2012).

Explicación de la figura que abre esta entrada (aunque muchos ya la conocen). La curva negra muestra, en función de la masa del Higgs, el cociente entre la sección transversal según los experimentos (bajo la hipótesis de que no han observado el Higgs) y las predicciones del modelo estándar. 

La sección transversal es más o menos la probabilidad de producción del Higgs en las colisiones.

 El valor unidad corresponde a la predicción del modelo estándar, de tal forma que valores inferiores a la unidad indican que el Higgs debería haberse observado y no ha sido observado. 

Valores por encima de la unidad indican que no se han acumulado suficientes colisiones para poder decidir la cuestión.

 La figura de exclusión de masas para el Higgs se interpreta de forma estadística: todos los puntos de la curva negra que están por debajo de la unidad corresponden a valores de la masa del Higgs que se excluyen con una confianza estadística del 95%. 

Por ello, caso de que el Higgs tuviera una masa concreta se esperaría que la curva negra tuviera un valor algo por encima de la unidad para dicha masa, rodeado por valores inferiores a la unidad; la anchura de la región por encima de la unidad depende de la masa y de las incertidumbres en el análisis de los colisiones, siendo para 120 GeV de unos 5 GeV y para 140 GeV de unos 10 GeV.  

La banda brasileña (verde y amarilla) corresponden a los valores esperados (línea negra a trazos) según los modelos teóricos de los experimentos ATLAS y CMS bajo la hipótesis de que no existe el Higgs. 

Las desviaciones de la línea negra continua respecto a la línea a trazos que se encuentren dentro de la banda brasileña son compatibles con fluctuaciones estadísticas en el análisis y no pueden ser utilizadas para obtener conclusiones sobre la búsqueda del Higgs. 

En la figura se observan algunas desviaciones por encima de la banda amarilla, lo que implica excesos reseñables, pero la mayoría son muy pequeños y están colocados donde la sensibilidad de los datos no permite extraer conclusiones fiables. 

En concreto se observan fluctuaciones hacia arriba alrededor de 120 GeV y entre 135 y 150 GeV. 

Para interpretar estos excesos conviene ver la figura de abajo, que muestra el “mejor ajuste” de la sección transversal del Higgs en unidades del modelo estándar, incluyendo una banda azul a 1 sigma (un valor próximo a la unidad, curva roja, indica un bosón de Higgs como el del modelo estándar, y un valor próximo a cero, curva azul marino, excluye un bosón de Higgs del modelo estándar). 

El exceso alrededor de 120 GeV significa que podría haber un Higgs del modelo estándar con dicha masa, pero el exceso entre 135 y 150 GeV requiere que el Higgs tenga una sección transversal mucho menor que la predicha por el modelo estándar.

 Por ello, por ahora, los excesos apuntan a un Higgs con una masa de unos 120 GeV, aunque todavía es pronto y habrá que esperar unos meses para que se decida la cuestión.

PS (23 nov. 2011): Lectura recomendada. 

Muy sensata. 

Pauline Gagnon, “Where do we stand on the Higgs boson search?,” Quantum Diaries, 23 Nov. 2011.