11 marzo 2013
El espín del bosón de Higgs
El bosón descubierto el 4 de julio de 2012 en el LHC es, con toda seguridad, un bosón escalar (su espín es cero). Su observación en el canal difotónico H→γγ impide (teorema de Landau) que tenga espín uno. La posibilidad de que tenga espín dos (se trataría de un gravitón acoplado de forma no renormalizable al resto de la materia) es muy remota. Sin embargo, desde el punto de vista experimental es muy difícil diferenciar entre una partícula de espín cero y una de espín dos, por lo que hay que recurrir a ideas teóricas. John Ellis y varios colegas han mostrado en un artículo reciente que la dependencia con la energía de la producción W/Z + (H→bb) mostrada por las colisiones en el Tevatrón del Fermilab apunta a un bosón escalar (espín 0+); el artículo experimental correspondiente (que combinará datos de CDF y DZero) está próximo a ser publicado según Emily Johnson (Michigan State University), “Spin and Parity in WH → ℓνbb at DØ,” Young Scientists Forum, Rencontres de Moriond EWK, March 8, 2013 [slides]. Ella nos cuenta que las simulaciones por ordenador (usando MADGRAPH5 y PYTHIA) parecen indicar que la combinación CDF+DZero promete tener datos suficientes para poder diferenciar con claridad entre espín 0+ y espín 2+. Su método es el propuesto por John Ellis et al., “A Fast Track towards the `Higgs’ Spin and Parity,” arXiv:1208.6002, 29 Aug 2012. El nuevo artículo de Ellis y sus colegas, que también usa las mismas ideas, también apunta a que la producción del Higgs por fusión de bosones vectoriales apunta también a un bosón escalar, descartando uno de espín dos, según los datos actuales de CMS y ATLAS; supongo que en los próximos meses se publicará un análisis combinado en esta línea mejorando esta certeza. Por tanto, a día de hoy, afirmar que el bosón descubierto en el LHC tiene espín dos no tiene ningún sentido; su espín es casi con toda seguridad cero. El artículo técnico es John Ellis, Veronica Sanz, Tevong You, “Associated Production Evidence against Higgs Impostors and Anomalous Couplings,” arXiv:1303.0208, 1 Mar 2013.
Darle más vueltas a este asunto es una pérdida de tiempo. De hecho, hay argumentos sencillos que apoyan la idea de que el bosón observado es un bosón escalar. Por un lado, lograr que una partícula de espín dos se ajuste a todo lo observado para el nuevo bosón en el LHC sin afectar para nada a los tests de precisión de la teoría electrodébil de LEP requiere un ajuste fino de todos sus acoplos, que aunque no es imposible porque las partículas de espín dos pueden ser muy perversas, no es razonable; el principio de la navaja de Ockham nos dice que si tenemos una explicación sencilla para todo lo observado (que sea de espín cero), no tenemos que molestarnos en recurrir a un modelo de gran complejidad con muchos ajustes finos (necesario si fuera de espín dos). Por otro lado, un bosón de espín dos penalizaría la estabilidad del modelo estándar (que salva la existencia de un Higgs de espín cero) y debería haber nuevas partículas con una masa un poco mayor que el Higgs, siempre menor de 1 TeV, para estabilizarlo (pero los experimentos no las han observado aún). Finalmente, un gravitón “exótico” con una masa de unos 125 GeV es incompatible con gran número de observaciones cosmológicas y gravitacionales (salvo que se haga un encaje de bolillos realmente complicado). Por tanto, la única opción razonable es que el nuevo bosón tenga espín cero, de ahí que en Moriond EW 2013 se haya recomendado hablar del “escalar del modelo estándar” para referirse al Higgs (en algunas charlas también se ha hablado del bosón BEH, por las siglas de Brout-Englert-Higgs). Esta figura de CMS está extraída de la charla de Guillelmo G omez-Ceballos, “Study of Standard Model Scalar Production in Bosonic Decay Channels in CMS,” Moriond EW 2013 [slides]. Recomiendo la lectura de Pauline Gagnon, “Latest news on the Higgs boson,” Quantum Diaries, 6 Mar 2013, y Jester, “Higgs: what have we learned,” Résonaances, 9 Mar 2013.
Conforme se acumulan más datos sobre el Higgs, más se parece a la partícula predicha por el modelo estándar. La única discrepancia reseñable (el canal difotónico H→γγ) se ha reducido desde diciembre y viene acompañada por el “doble” pico en los datos de ATLAS (respecto al canal H→ZZ), que aparenta tener su origen en algún error sistemático en este análisis o en una fluctuación estadística; cuando se resuelva este “problema” es muy posible que la discrepancia desaparezca. Ya sabemos que el Higgs se desintegra en fermiones, en concreto en leptones tau (CMS ha observado el Higgs en el canal H→ττ a casi 3 sigmas). Sin embargo, las pruebas de su desintegración en quarks bottom (H→bb) obtenidas en el Tevatrón ahora son menos claras de lo que se afirmó durante el verano pasado (tras los reanálisis publicados en Moriond EW 2013), pero los datos del LHC en este canal ya muestran los primeros indicios. Además, también se han presentado los primeros indicios en los canales H→Zγ, y H→μμ. La combinación CMS+ATLAS, que como muy pronto se publicará este próximo verano, promete mostrar indicios muy claros en estos canales (al menos en 5 de los 7 canales mencionados). Esta figura de G-Fitter muestra el buen acuerdo de las predicciones teóricas del modelo estándar (con Higgs) con la observación de ATLAS y CMS, respecto al modelo estándar sin Higgs. La fuente es Roman Kogler (Univ. Hamburg / Gfitter group), “The electroweak SM fit,” Moriond EW [slides]; ver también Pauline Gagnon, “The Standard Model passes with flying colors,” Quantum Diaries, 7 Mar 2013.
Finalmente, los primeros análisis de la posibilidad de que el Higgs se desintegre en partículas “invisibles” (H→invisible), no observables en el LHC y posibles candidatos a materia oscura, ha sido estudiada tanto en ATLAS como en CMS. Hasta ahora no se ha observado ninguna señal (no hay ningún evento candidato). Este tipo de estudios es muy interesante pues permite observar física más allá del modelo estándar de forma más clara que utilizando la determinación de los acoplos con otras partículas. Por ahora, todo indica que el Higgs observado en ATLAS y CMS es compatible con el bosón del modelo estándar sin ninguna física adicional, ni ninguna desintegración invisible (aunque los análisis mostrados en Moriond EW 2013 aún son pobres y habrá que esperar a la combinación ATLAS+CMS para reducir mucho la incertidumbre experimental). Más información en Adam Falkowski, Francesco Riva, Alfredo Urbano, “Higgs At Last,” arXiv:1303.1812, 7 Mar 2013. La charla de Victoria Martin (Univ. Edinburgh / ATLAS Collab.), “Searches for the BEH boson into fermions at ATLAS,” Moriond EW 2013 [slides] discute la búsqueda de la desintegración ZH, H→invisible.
Por cierto, la figura que abre esta entrada está basada en una transparencia de Marcela Carena (Fermilab / Univ. Chicago), “SUSY and the source of EWSB,” Rencontres de Moriond, EW & UT, La Thuile, March 7, 2013 [slides].
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