IMPLICACIONES DE LA BÚSQUEDA DEL HIGGS
(MATT STRASSLER 12/2011)
Con los datos que actualmente disponemos a fecha de hoy (Diciembre del 2011) estos son los posibles escenarios o posibilidades que podemos encontrarnos en la búsqueda del Higgs y de nueva física:
1º) Que exista el Higgs del Modelo Estándar
(el Higgs más simple posible) y nada más.
De todos los escenarios posibles este es el único que ha sido analizado
a fondo en el LHC y constituye la búsqueda prioritaria actualmente.
Con los datos recopilados a fecha de hoy la situación es la siguiente:
- Higgs > 450 GeV:
Este rango de masas no ha sido explorado directamente por el LHC pero medidas de precisión de ciertos parámetros del Modelo Estándar (SM)
como la masa del W, Z y del quark top excluyen
un Higgs del SM por encima de 450 GeV.
- Higgs entre 150 y 450 GeV:
Este rango ha sido excluido por los datos del LHC y del Tevatron.
- Higgs entre 130 y 150 Gev:
Existen posibilidades (débiles) de un Higgs de alrededor de 140 Gev.
Un Higgs en este rango será detectado o excluido en los datos inmediatamente siguientes a los últimos publicados.
- Higgs entre 115 y 130 Gev:
Este es el rango más probable para la existencia del Higgs del SM y el más
complicado de estudiar experimentalmente.
Los próximos datos del LHC podrían mostrar evidencias de un Higgs
del SM en este rango.
- Higgs < 115 GeV:
Este rango ha sido excluido por el LEP II.
Por último hay que tener en cuenta algo importante: según los análisis teóricos (aunque no hay una seguridad absoluta)
este escenario de un Higgs del SM y nada más
es solo posible si el Higgs está entre 120 y 160 GeV.
Si el Higgs del SM es menor de 120 GeV es necesario que existan nuevas partículas que estabilicen el vacío ya que por debajo
de 120 GeV el vacío se tornaría inestable.
2° Que exista el Higgs del Modelo Estándar (el Higgs más simple posible)
y además nuevas partículas
Si existen nuevas partículas aún por detectar el panorama puede
cambiar de forma importante.
Por ejemplo, si estas nuevas partículas sienten la fuerza fuerte
e interaccionan con el Higgs los ratios de producción del Higgs
predichos por el SM cambiarán.
O si por ejemplo las nuevas partículas son más ligeras, el Higgs podría
desintegrarse en ellas variando con ello el ratio de producción y si estas partículas no son detectables por los detectores del LHC (por ejemplo si fueran las partículas que forman la materia oscura) el Higgs podría pasar
inadvertido haciendo necesarios muchos más datos para su detección.
Existen muchas variantes del SM con nuevas partículas, como por ejemplo el llamado SM de 4º generación, que añade un 4º sabor a los quarks aunque este caso ha sido casi totalmente descartado por el LHC.
Todas estas variantes exigirían muchos datos de colisiones y muchas nuevas estrategias diferentes de búsqueda.
Si no se encontrase el Higgs más simple del SM se comenzarían a analizar
los datos con estas nuevas estrategias.
3º) Que existan 2 partículas de Higgs (técnicamente 2 singlets)
Sea m la masa del Higgs más ligero y M la del más pesado entonces en este escenario se pueden distinguir dos casos:}
- Si M<2m entonces el escenario es idéntico que en el caso de 1 Higgs simple del SM pero con un ratio de producción del Higgs menor que el predicho
por el SM cumpliendose que la suma del ratio de producción
de ambos Higgs sea igual al que predice el SM en el caso de 1 solo Higgs.
Esto haría que se necesitasen más datos de colisiones para detectar el Higgs.
- Si M>2m entonces, dependiendo de los detalles de las fuerzas entre ambos Higgs se puede dar el caso de que el Higgs más pesado decaiga en un par de Higgs del tipo más ligero lo que cambiaría totalmente el escenario necesitándose nuevas estrategias de detección que podían retrasar
su descubrimiento varios años.
4º) Que existan 5 partículas de Higgs y nada más
En este caso el sector de Higgs tendría los siguientes componentes:
- 2 Higgs neutros (hº y Hº) muy similares al Higgs del SM
(como en el caso de 2 Higgs anterior).
Estos 2 Higgs se denominan Higgs escalares.
- 1 Higgs neutro (Vº) muy distinto al Higgs del SM. Se denomina Higgs pseudoescalar
- 2 Higgs cargados (H+ y H-) con carga igual el e+ y al e-.
Estos Higgs se denominan Higgs cargados.
Los Higgs escalares y pseudoescalares si no son demasiado pesados no serían muy difíciles de detectar.
Si fueran pesados sería más complicado.
Los Higgs cargados serían en principio más difíciles de detectar.
En el caso de 4 Higgs pesados y 1 mucho más ligero el escenario en principio se parecería mucho al Higgs del SM:
primero detectaríamos un Higgs ligero muy parecido al del SM
y solo después de analizar detalladamente sus
características podríamos concluir que no es el Higgs simple del SM
y que debe haber Higgs más pesados.
Esto resalta la importancia de descubrir primero un Higgs ligero del SM
para poder estudiar sus propiedades.
Algunas variantes de este modelo con 5 Higgs y nada más han
sido excluidas por los datos experimentales sin
embargo, si le añadimos nuevas partículas
(como en el caso de la supersimetría)
el modelo sigue sin estar excluido.
5º) Supersimetría: 5 Higgs con "supercompañeros"
En la teoría de la supersimetría cada partícula conocida tiene
un "supercompañero" de forma que si la partícula
es un fermión el supercompañero es un bosón y viceversa.
Debido a que la supersimetría está rota las masas de las partículas supersimétricas son diferentes (más pesadas) que las partículas conocidas.
En este modelo, al menos en su versión mínima, no son necesarias más partículas aparte de las supersimétricas por lo que el sector
de Higgs es el mismo que en el caso anterior pero con 2
interesantes diferencias:
a) Las partículas y sus supercompañeras tienen efectos contrarios
que tienden a cancelarse lo cual reduce mucho
las restricciones que conocemos para las propiedades del Higgs.
b) La supersimetría indica que la fuerza con la que el Higgs escalar
más ligero interacciona con las otras partículas
implicadas en la fuerza débil y electromagnética (isospín e hipercarga)
es relativamente débil.
Esto nos indica que la masa del Higgs debe ser menor que la del Z o sea menor de 91GeV. Sin embargo, si el quark top es muy pesado (como de hecho lo es) el límite para el hº puede estar en torno a 115 Gev.
Es decir el Higgs hº de la supersimetría debe estar entorno a 115 Gev.
Aunque este hº en principio se parecería mucho al Higgs del SM
este podría tener ratios de producción menores que dificultarían su detección.
También hay versiones más complejas de supersimetría que admitirían
un hº más pesado de 120 Gev, sin embargo,
si se detectase un Higgs del SM de 140 Gev entonces sabríamos
que la versión mínima de la supersimetría no es
correcta y que las posibilidades de ver supersimetría en el LHC disminuirían.
6º) Que no exista la partícula de Higgs
Lo que viene a continuación probablemente sorprenderá a algunos:
no existe nada que garantice que la partícula de
Higgs existe. Sin embargo hay que tener en cuenta dos hechos
fundamentales que son bastante desconocidos por
el público en general:
a) Contrariamente a lo que aparece continuamente en los medios
de comunicación, el LHC no ha sido diseñado
para encontrar la partícula de Higgs,
el LHC ha sido diseñado para estudiar el campo de Higgs, además,
es un hecho experimental que este campo existe y tiene una energía promedio no nula.
De hecho esta energía promedio es de 246 GeV
que es la energía de ruptura electrodébil.
b) Si no observamos la partícula de Higgs es porque existen nuevas partículas y fuerzas que todavía no hemos
observado y que hacen inobservable al Higgs.
Además estas nuevas fuerzas y partículas deben ser observadas
en el rango de funcionamiento del LHC.
Es decir, si no existe la partícula de Higgs tiene que haber algo nuevo,
algo que haga una función similar y que será observado en el LHC
(aunque quizás con dificultad).
Una de las posibilidades es el llamado modelo "technicolor"
en el que existe una nueva fuerza y nuevas partículas
que sienten esta nueva fuerza, la fuerza débil y la electromagnética
y que forman un campo compuesto similar al
campo de Higgs.
A algunos físicos nos gusta la teoría del "tecnicolor"
porque resuelve el llamado problema de la
jerarquía y además se manifestaría a escala de los TeV aunque
esta teoría no está exenta de problemas.
Estas nuevas partículas y fuerzas tendrían un ratio de producción muy distinto al del SM y serían mucho más difícil de detectar.
En este escenario la detección de estas nuevas
partículas podría llevar muchos años.
CONCLUSIONES:
- El mejor escenario para el avance inmediato o a corto plazo de la física de partículas sería encontrar el Higgs del SM con una masa entre 115 y 120 GeV.
Este escenario, que además es uno de los más plausibles,
además de permitirnos analizar las características del Higgs del SM
(y esperemos del campo de Higgs)
aumenta las posibilidades de que la supersimetría sea real
y cuando el LHC funcione a 14 TeV podríamos
encontrar los otros 4 Higgs y las partículas supersimétricas más ligeras.
El escenario con 2 Higgs de 120 y 140 GeV que es todavía posible también favorecería la supersimetría ya que estos 2 Higgs podrían
corresponderse con los Higgs hº y Hº del escenario de la supersimetría.
Muy pronto sabremos si el Higgs más simple del SM existe, a fecha de hoy Atlas y CMS tienen casi 3 /fb de datos acumulados,
cuando el LHC interrumpa su actividad para dar paso a las colisiones de iones pesados, deberían haberse acumulado 5/fb o incluso 7/fb lo que debería dar una señal a más de 3 sigmas de un Higgs del SM
entorno a 120 GeV si éste existe.
O sea que en Noviembre (o antes) sabremos si el Higgs del SM existe.
- A muchos físicos nos gusta el modelo del "technicolor" por que resuelve
el problema de la jerarquía y explica el mecanismo de ruptura espontánea
de la simetría cosa que los demás modelos no consiguen.
Esta es una interesante teoría y las nuevas partículas que predice deberían detectarse cuando el LHC funcione a 14 TeV.
- Quizás el escenario más negativo sería el de un Higgs en torno a 140 Gev
y nada más (las nuevas partículas,
si existen, podrían estar fuera del alcance del LHC).
- Si no se encuentran señales del Higgs con los ratios de producción
que predice el SM entonces cualquiera
de los escenarios 2,3,4,5 o 6 serán posibles.
Habrá que acumular más datos y realizar nuevas estrategias de
búsqueda para ir seleccionando o eliminando las distintas posibilidades.
Esto puede llevar años con el consiguiente retraso en descubrimientos
y la incertidumbre que esto trae consigo.
- La última conclusión es muy positiva:
Es prácticamente imposible que el LHC no encuentre nada nuevo,
ya sea el Higgs, nuevas partículas, supersimetría, technicolor, o varios de estos escenarios a la vez.
Estos nuevos descubrimientos podrían ayudar a resolver los grandes enigmas de la física y de la cosmología y sin duda serán
un avance decisivo hacia el conocimiento de las leyes más profundas
del Universo.
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