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RESUMEN DEL ESTADO DE LA BÚSQUEDA DEL HIGGS EN EL LHC

14-09-2011

Este artículo está basado en el artículo extraído de la página del físico teórico Matt Strassler que en mi

opinión resume de forma extraordinariamente clara y sencilla el estado actual de la búsqueda del Higgs y

de nueva física en el LHC y da una explicación de los posibles escenarios que podemos encontrarnos

en los próximos meses en esta apasionante búsqueda de nuevos terrenos inexplorados de la física que nos

abran el camino hacia la respuesta a los grandes interrogantes de la ciencia y hacia las leyes más profundas

del universo.

IMPLICACIONES DE LA BÚSQUEDA DEL HIGGS (MATT STRASSLER 9/2011)

Con los datos que actualmente disponemos a fecha de hoy (Septiembre 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.

2º) 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 les 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.

 

Fuentes: Implications of Higgs Searches (as of 9/2011)

CONCLUSIONES:

Después de leer el resumen de Matt Strassler se pueden sacar las siguientes 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, a finales de

Octubre, 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 les 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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Autor: IIII
9/14/2011
IIII