Se observa por primera vez un efecto termoespintrónico en un material no magnético

Fuente: Francis (th)E mule

El efecto Seebeck es el paradigma de la termoelectricidad y permite el desarrollo de termopares (sensores de temperatura). En 1821 Seebeck construyó un cable conductor de electricidad uniendo entre sí dos cables de diferentes materiales y observó que al calentar uno de sus extremos aparecía una corriente eléctrica y un campo magnético inducido. A la inversa, una diferencia de temperatura entre los extremos de un imán (material ferromagnético) provoca la aparición de una diferencia de potencial y una corriente eléctrica, incluso en imanes fabricados con materiales semiconductores y aislantes. Se publica en Nature la primera observación del efecto Seebeck en un material que no es magnético (antimoniuro de indio, InSb), aunque a baja temperatura (por debajo de 40 Kelvin). Los autores del artículo afirman que la corriente eléctrica se produce gracias a la inversión del espín de los electrones en el material, por lo que han bautizado al fenómeno como efecto Seebeck de espín. En materiales magnéticos el sentido de la corriente eléctrica viene determinado por la dirección de la magnetización, pero en el nuevo efecto solo depende de la dirección del gradiente de temperatura. Nos lo han contado Tero T. Heikkilä, Yaroslav Tserkovnyak, “Solid-state physics: Thermal spin power without magnets,” Nature 487: 180–181, 12 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de C. M. Jaworski, R. C. Myers, E. Johnston-Halperin, J. P. Heremans, “Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material,” Nature 487: 210–213, 12 July 2012.

El efecto Seebeck de espín en materiales ferromagnéticos se asocia a la interacción entre los fonones (vibraciones de la red cristalina) y los magnones (excitaciones de los momentos magnéticos de espín); los fonones impulsan a los magnones a cambiar su estado de equilibrio generando una corriente de espín que polariza los electrones del material, efecto que puede ser detectado como una corriente eléctrica gracias al efecto Hall de espín inverso.
Este nuevo descubrimiento que combina espintrónica y termoelectrónica, en lo que se suele llamar termoespintrónica, se cree que tendrá aplicaciones en la industria de los ordenadores para desarrollar sistemas que aprovechen el calor disipado para almacenar información o realizar ciertas labores de cómputo. Por supuesto, estas aplicaciones a largo plazo aún estas lejos, siendo el mayor inconveniente que todavía no se entienden bien los detalles íntimos del efecto Seebeck de espín.

Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar

Fuente: Francis (th)E mule

Me ha gustado mucho la charla de Alex Pomarol (UAB, Barcelona), “Electroweak Symmetry Breaking (EWSB). Status/Directions,” ICHEP 2012, 9th July, que nos resume lo que supone para los físicos teóricos el descubrimiento del Higgs anunciado el 4 de julio de 2012. Lo primero, euforia. Lo segundo, un gran número de nuevos resultados que hay que digerir. Hay que recordar las palabras de Alex que afirma que en un solo día se ha presentado más información sobre la ruptura de la simetría electrodébil que en los últimos 40 años.

¿Qué hace que el bosón de Higgs sea una partícula especial? No, no es que un editor le pusiera un título llamativo a la biografía del premio Nobel Leon Lederman. Tampoco lo es que encontrar esta partícula nos permita entender la condensación del campo de Higgs que llevó a que las partículas ganaran masa. Incluso en las teorías sin Higgs o con un Higgs compuesto, la condensación del campo de Higgs y el proceso de ruptura espontánea de la simetría se da igualmente y de forma muy similar (pues hay muchas pruebas indirectas de este fenómeno).

Tampoco el Higgs es una partícula especial porque sea una excitación del del campo de Higgs que nos permita explorar sus propiedades, porque en las teorías sin Higgs o con Higgs compuesto también hay excitaciones del vacío que nos permiten explorar el campo.

La razón por la cual el bosón de Higgs es una partícula fundamental en el modelo estándar es que sin esta partícula no se pueden realizar cálculos de precisión, porque hay vértices con grados de libertad longitudinales de los bosones vectoriales débiles que violan la unitariedad (dan probabilidades mayores de la unidad) a alta energía y bucles que conducen a valores infinitos. Sin un mecanismo que compense estos defectos el modelo estándar se hunde en el más profundo de los fangos. Si no existiera el Higgs tendría que existir física más allá del modelo estándar que compense estos defectos que implican el “suicidio” de la teoría.

La existencia del Higgs permite que el modelo estándar vuelva a mostrar una enorme capacidad predictiva, pues los vértices que rompían la unitariedad dejan de hacerlo si hay un bosón de Higgs que medie entre ellos y los bucles con Higgs compensan con su signo a los bucles que daban resultados infinitos. El modelo estándar con un bosón de Higgs recupera todo su poder predictivo y evita su suicidio temprano a baja energía; obviamente, a muy alta energía el modelo estándar puede ser estable, metaestable o incluso inestable en función de la masa que tenga el Higgs (para un valor de 125 GeV todo apunta a que es metaestable hasta la escala de Planck y estable hasta la escala GUT, lo que está muy bien).

Por cierto, para que el modelo estándar sea consistente gracias al bosón de Higgs es necesario que el acoplamiento del Higgs a los bosones W y Z, así como a los fermiones (quarks y leptones) sea exactamente el predicho por la teoría. Si no coinciden con la predicción teórica no estaremos ante el bosón de Higgs sino ante un primo del Higgs (en inglés se suele decir un “impostor”). En el descubrimiento del Higgs publicado el 4 de julio solo se comprobó que el acoplamiento a los fotones y cierto acoplamiento a los bosones Z coinciden (con errores del orden del 10% con las predicciones teóricas), pero falta comprobar muchos otros acomplamientos. Para finales de diciembre de 2012 habrá colisiones suficientes en el LHC para que los análisis verifiquen si los acomplamientos del Higgs a los bosones W, Z y a algunos fermiones coinciden con los esperados y permiten asegurar que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Por cierto, comprobar todos los acoplamientos a todas las partículas del modelo estándar es imposible en el LHC y solo se pueden comprobar algunos, por lo que se requiere un colisionador lineal de leptones para estudiar en completo detalle la física del Higgs.

Obviamente, un bosón de Higgs no es suficiente para salvar al modelo estándar y mantenerlo válido hasta una energía en la escala de Planck, porque el Higgs es una partícula escalar (no lineal) que puede interaccionar consigo misma y es necesario algún mecanismo que controle estas autointeracciones a alta energía, pues lo natural es que aparezcan divergencias. Como siempre para corregirlas lo más fácil es introducir nuevas partículas que las compensen.

La consistencia a alta energía del modelo estándar se puede corregir gracias a la supersimetría, incluso en su versión más sencilla, el modelo supersimétrico mínimo o MSSM, que introduce un segundo doblete en el sector de Higgs, con lo que en lugar de un bosón aparecen cinco. Lo importante es que hay dos bosones escalares neutrinos (h y H) cuyo efecto común compensa las divergencias debidas a la existencia de un solo bosón escalar a alta energía. El modelo MSSM además introduce un bosón pseudoescalar A y dos bosones de Higgs cargados H+ y H-. Por supuesto, además de la supersimetría hay muchas otras soluciones al problema de metaestabilidad del modelo estándar, incluso la posibilidad de que ni siquiera sea un problema tan grave como para que requiera una solución (por ejemplo, algunas propuestas para la gravedad cuántica indican que tiene efectos incluso a una escala de energía tan baja como la escala GUT, donde empezaría a fallar el modelo estándar).

Un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV es ideal tanto para los físicos experimentales, como para los físicos fenomenológicos, como incluso para los físicos teóricos. Para los primeros porque permite explorar en los colisionadores casi todos los acoplamientos del Higgs con casi todas las partículas disponibles. Para los segundos porque la auto-interacción del Higgs consigo mismo (m_H²= λ v²) nos da un valor de λ≈0,26, suficientemente pequeño como para que la física del Higgs sea fácilmente calculable con gran precisión utilizando la teoría. Y para los últimos porque es una masa compatible con el modelo estándar, con el rango alto de los modelos supersimétricos MSSM y con el rango bajo de los modelos con Higgs compuesto. Por tanto, todos los físicos teóricos estarán contentos porque su trabajo no tendrá que ser tirado a la basura (por ahora).
Por supuesto, el LHC le está dando tortas por todos lados al modelo MSSM y hoy en día solo le queda un pequeño resquicio para poder respirar. Sin embargo, pasar al siguiente modelo NMSSM (next-to-minimal supersymmetry model) para arreglar el desaguisado (así que la SUSY en general está sufriendo poco con los resultados del LHC).
En resumen, con el descubrimiento del Higgs se ha iniciado una nueva era en la física, la de la física del Higgs, en la que tendremos que estudiar todas sus propiedades con gran precisión con objeto de descubrir cualquier pequeña desviación respecto a las predicciones del modelo estándar que nos guíen hacia el futuro de la física del siglo XXI, hacia el modelo que sustituya al modelo estándar.

“Sit down before fact as a little child, be prepared to give up every preconceived notion, follow humbly wherever and to hatever abysses nature leads, or you shall learn nothing.” Thomas Henry Huxley

Resaca Higgs

Fuente: Neofronteras

Esquema de familias de partículas y su interacción en el Modelo Estándar. Fuente: AAAS, Wikimedia Commons.

Ahora que ya ha pasado un tiempo podemos meditar un poco sobre el anuncio del descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs hecho hace unos días.
Primero deberíamos revisar el Modelo Estándar. Según este modelo hay fermiones (partículas de spin semientero que responden a la estadística de Fermi-Dirac) que son las que constituyen la materia. Estos a su vez se dividen en leptones y quarks. Hay tres familias de fermiones, pero sólo la primera de ellas es estable. Usted y todo lo que le rodea está hecha de esa primera familia (electrón, neutrino electrónico, quark up y quark down). También hay bosones (de spin entero o que responden a la estadística de Bose-Einstein) de intercambio que son los que forman los campos. Así, el fotón crea la fuerza electromagnética, el gluón la fuerza nuclear fuerte (la que mantiene a los quarks unidos) y los bosones W⁺, W^- y Z la fuerza nuclear débil (la responsable de la radiactividad).
Como a los físicos les gustan las cosas unificadas propusieron hace décadas que la fuerza nuclear débil y la electromagnética son sólo una a altas energía (o fueron sólo una a comienzos del Big Bang). Pero los fotones no tienen masa y los bosones de la fuerza débil sí. Así que el ateo de Peter Higgs y otros físicos anteriores y posteriores desarrollaron un sistema de ruptura espontánea de la simetría mediante el cual las W⁺, W^- y Z adquirían masa y los fotones no. Sería un bosón escalar (que al final se llamó bosón de Higgs), que además no sería mediador de una fuerza, el que dotaría de masa a las partículas. Estos bosones crearían un campo de Higgs y según las partículas interaccionaran más o menos con ese campo adquirirían más o menos masa.
¿Cuántos bosones de Higgs hay? Si nos atenemos al Modelo Estándar Mínimo, el campo de Higgs consiste en dos componentes cargadas y dos componentes neutras (un doblete complejo de isospin). Las dos cargadas y una de las neutras forman bosones Goldstone que funcionan como componentes de polarización de las partículas W⁺, W^- y Z. La cuarta sería precisamente “El” bosón de Higgs.
El boson de Higgs no sólo tendría spin entero como todos los bosones, sino que tendría spín cero, ya que el campo de Higgs es un campo escalar (en contraposición a vectorial). El campo de Higgs no sólo dota de masa a las demás partículas, sino que además dota de masa al mismo bosón de Higgs.
El bosón de Higgs no puede tener una masa por encima de 1,4 TeV/c², so pena de que el Modelo Estándar se torne inconsistente. Aunque mediciones precisas en el LEP permitieron acotar mejor la masa del Higgs. Desde que empezó a funcionar el LHC ha estado descartando franjas de energía en las que podría estar el Higgs. Según los datos hechos públicos el otro día, el candidato a Higgs supuestamente descubierto tiene unos 125 GeV/c² de masa, es decir, más o menos la misma masa que unos 125 protones.
Pero el Modelo Estándar Mínimo no es el único modelo que se ha inventado. Algunos de estos modelos extendidos (hay cientos de variantes) amplían el sector Higgs con dobletes y tripletes adicionales que dan lugar a más bosones. Algunos de esos modelos predicen un quinteto de bosones de Higgs: dos bosones neutros CP-par h⁰ y H⁰, un bosón nuetro CP-impar A⁰ y dos bosones cargados H⁺ y H^-. Serían los modelos de dos dobletes de Higgs (2HDM).
La manera de distinguir entre los distintos tipos de modelos extendidos y el Modelo Estándar Mínimo es ver cómo se acoplan los Higgs a las demás partículas y ver qué proporciones hay entre los distintos modos que tienen estos Higgs de decaer en otras partículas. El 2HDM de tipo-I tiene un doblete que se acopla a los quarks up y down y el otro no lo hace. Tiene además dos límites posibles. En uno de ellos el Higgs más ligero no se acopla a los fermiones por lo que sería fermiofóbico (volveremos a esto más adelante) o bien no lo haría a los bosones tipo gauge. En el 2HDM de tipo-II uno de los dobletes Higgs se acoplaría a los quarks tipo “up”, mientras que el otro lo haría a los de tipo “down”.
El Modelo Estandar Mínimo Supersimétrico sería un 2HDM de tipo-II. Por tanto, el estudio del Higgs permitiría estudiar la supersimetría (si es que existe). Algunos modelos supersimétricos predicen que el bosón de Higgs más ligero tendría una masa justo por encima de 120 GeV/c².
Recordemos que la supersimetría propone que cada partícula conocida tendría una partícula aparejada más pesada con el spin cambiado, de tal modo que los bosones tendrían parejas fermiónicas y viceversa.
En conclusión, si estudiamos, por ejemplo, los modos en los que se desintegra el Higgs podemos saber qué modelos se acercan más a la realidad física.
Ahora pasemos a revisar qué es lo que se estudia en el LHC para este caso del Higgs. Resulta que el Higgs nunca es registrado directamente. Sólo se detectan los subproductos que se generan cuando decae (desintegra). El supuesto bosón que dicen haber detectado decae enseguida. Esto es algo con lo que se ya contaba y los detectores fueron diseñados para ello.
Así que en el LHC se aceleran los protones a casi la velocidad de la luz y se les hace chocar unos contra otros justo en el centro de los detectores y parte de su energía cinética en transformada en otras partículas. Los protones son partículas compuestas y dan choques sucios, pero si tenemos fe en los físicos e ingenieros y se registran miles de millones de sucesos es posible separar la información en varios “canales interesantes”. De este modo, se habla del canal “difotónico” cuando el supuesto Higgs decae en dos fotones, o el canal ZZ cuando se desintegra en dos partículas Z (que a su vez decaen en cuatro leptones: cuatro muones, cuatro electrones o bien dos muones y dos electrones). Sólo el 0,01% de los Higgs decaería de esta forma. También está el canal WW y otros. Incluso los canales tienen subcanales.
El caso es que estudiando cuántos sucesos se dan en cada canal podemos saber muchas cosas e incluso deshacernos de algún modelo teórico. Tanto ATLAS como CMS pueden estudiar varios de estos canales.
Pues bien, los datos hechos públicos se refieren a sólo dos de esos canales: el difotónico y el ZZ. Así que como no se tiene toda la información no se puede proclamar a los cuatro vientos que se ha descubierto “El Higgs”. No obstante, según el primer canal existe un bosón de 126 GeV/c² de masa y esto se puede afirmar con una significación estadística de 4,5 σ combinando los datos de los dos últimos años (4,5 σ si sólo consideramos los de este año).
Lo malo es que estamos hablando de confianza estadística local, pues sólo se tiene en cuenta una ventana relativamente estrecha de masas-energías en torno a 125 GeV. Cuando mayor sea la ventana más ruido estadístico se mete en los cálculos y menor es la significación. Si nos centramos entorno al “lugar interesante” entonces la significación mejora. Si en Estadística queremos hacer trampas sólo tenemos que quedarnos con lo que nos interesa (votantes en torno a los 50 años de edad si queremos que demostrar que el voto es conservador, por ejemplo) y no hacer caso del resto. Aunque, que quede claro, los chicos el LHC no hacen trampas, pues proporcionan todos los números. En este caso dicen que la estadística global se reduce a 3,6 σ para este caso. En este canal se han registrado en total 200 eventos que apuntan al Higgs.
Los datos del canal ZZ son más escasos, pero como los eventos son en este caso muy limpios, permiten afirmar que existe un Higgs estándar de 125 GeV/c² con una significación local de 3,6 σ. Sólo se han observado 13 eventos de este tipo.
Pues bien, combinando los datos de ambos canales se puede hablar que existe un bosón compatible con el bosón de Higg con una significación local de 5 σ. Significación que se reduce a 4,3 σ si consideramos el intervalo 100-150 GeV/c².
Los datos de estos canales permiten además rechazar la hipótesis de un bosón de Higgs fermiofóbico.
¿Y qué hay de los otros canales? Pues ATLAS no han hecho públicos sus datos. El problema es que estos otros canales son más difíciles de estudiar, porque algunos de los subproductos no se detectan.
Todavía no se puede estar completamente seguro de que se trate de “El bosón de Higgs” y algunos indicios apuntan a que quizás haya algo más allá del Modelo Estándar, incluso que haya supersimetría. El número de eventos en el canal difotónico en ambos experimentos (ATLAS y CMS) es superior a lo que cabría esperar. Esto podría deberse a una nueva física más allá del Modelo Estándar, como sería la existencia de una nueva superpartícula cargada, más de un Higgs, supersimetría, etc.
Otro indicio es la extremada escasez de datos en el canal WW. Según el Modelo Estándar Mínimo debe de haber eventos en ese canal a las energías a las que opera el LHC. Aunque esta escasez podría no ser real y deberse a que este canal es muy difícil de estudiar. Pero si resultara que el efecto fuera real entonces quizás no se trate de “El Higgs”, sino de un bosón no escalar (spin distinto a cero). Quizás un bosón de spin 2, pues el caso de spin 1 ha sido rechazado por los datos del canal difotónico. Sin embargo, los datos del Fermilab ya indicaban en su día que no puede haber un bosón de spin 2 a esas energías.
Los canales de taus y los canales de quarks b también presentan un déficit, lo que indicaría que el supuesto Higgs interaccionaría de diferente manera con los fermiones que con los bosones.
En definitiva, hacen falta más datos, que serán cosechados a lo largo de los próximos meses, para así ir rechazando modelos e hipótesis y asegurarnos que efectivamente hemos cazado un Higgs.
Si hay supersimetría no hay manera de saber si este bosón es un h⁰ o si se trata del bosón de Higgs estándar. El problema es que h⁰ y H⁰ sólo se diferenciarían en la masa. Si hay supersimetría habríamos detectado el h⁰, pero necesitaríamos detectar el H⁰, para afirmar que se trata efectivamente del h⁰ y no del H estándar. La otra posibilidad, de que se haya detectado el H⁰ y que haya un h⁰ de masa inferior, queda descartada por los datos del LEP. Si hay un H⁰ debe tener una masa superior a 560 GeV/c², porque por debajo ya ha sido explorado en el LHC sin que se haya encontrado. Pero probablemente tenga una masa inalcanzable para el LHC.
También sería posible que aparecieran los bosones A⁰, H⁺ y H^-. En el LHC se están buscando todos estos bosones, pero todavía no han aparecido. Tampoco han aparecido partículas supersimétricas, sean bosones de cualquier tipo o no.
Hace falta que el LHC llegue a los 14 TeV, en lugar de a los 8 TeV actuales, para que se pueda estudiar la interacción del supuesto Higgs consigo mismo. Esto ayudará mucho a saber su verdadera naturaleza, pero, como muy pronto, esto no sucederá hasta finales de 2014.
Algún físico del pasado llegó a decir que la ciencia o bien es Física o bien es Filatelia para así hacer un chiste a costa de la Biología, pero ahora los biólogos pueden vengarse y decir que un ornitorrinco existe como especie sin necesidad de usar ninguna significación estadística.
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Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Fuente: Francis (th)E mule

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas “luces” en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), “Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was “Higgs-CMS”),” ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).
En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), “Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.
¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).
Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con “alfileres.” ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), “Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.
Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σ_SM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), “Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,” ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), “Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,” ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.
En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.

El bosón de Higgs encontrado en el LHC y su relación con la supersimetría

Fuente: Francis (th)E mule

La supersimetría (SUSY) es una teoría muy “goddamn” porque, como mínimo, duplica todas las partículas que conocemos y además, como mínimo, quintuplica el número de bosones de Higgs. La versión más sencilla de la SUSY (el modelo supersimétrico mínimo o MSSM) predice cinco bosones de Higgs: Dos de ellos son como el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), partículas escalares neutras, llamándose h el de menor masa y H el de mayor; además, predice un bosón de Higgs neutro que es una partícula pseudo-escalar, llamado A, y dos bosones de Higgs cargados que son partículas escalares con carga positiva H⁺ y negativa H^-. ¿Qué diferencia el bosón de Higgs SM de los bosones de Higgs supersimétricos h y H? Nada, nada en absoluto, salvo que hay dos en lugar de uno. ¿Podría haberse descubierto en el CERN el 4 de julio un Higgs supersimétrico? Por supuesto, pues es imposible distinguirlos si la diferencia entre las masas de h y H es grande. Podemos distinguir el Higgs A del Higgs SM, pero los Higgs h y H son imposibles de distinguir.
Creo que hay recordar las dos opciones posibles a día de hoy. La primera es que se haya descubierto el bosón de Higgs H y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs h con una masa más pequeña (bastante menor de 125 GeV). La segunda opción es que se haya descubierto el bosón de Higgs h y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs con una masa mucho más grande (bastante mayor de 125 GeV). La opinión general de los expertos es que, tras 20 años buscando al Higgs por debajo de 115 GeV en LEP2 sin encontrarlo, la opción correcta debe ser la segunda. Es decir, si la SUSY se observa a baja energía en la escala alcanzable por el LHC del CERN, hay que seguir buscando un segundo bosón de Higgs con una masa mayor de unos 560 GeV (por debajo ya ha sido excluido que exista por los datos publicados el pasado 4 de julio). Por supuesto, si la SUSY no se da a baja energía (o a una escala alcanzable en el LHC), es imposible saber si el bosón descubierto el miércoles pasado es el Higgs del modelo estándar o el Higgs h supersimétrico, pero como no importa la diferencia, porque no la hay, la navaja de Ockham nos exige hablar de Higgs del modelo estándar (hasta que no se descubra alguna otra partícula de Higgs o supersimétrica).

¡No me lo puedo creer! ¿Pero de verdad no hay ninguna forma de distinguir un Higgs SM de un Higgs SUSY? En realidad sí la hay, podemos descartar el modelo MSSM por otros medios y descartado éste, automáticamente caen sus predicciones en el sector del Higgs. Pero recuerda que si el LHC descarta el modelo MSSM, no pasa nada con la SUSY pues podemos usar los modelos CMSSM, cMSSM,  NMSSM, nuMSSM, pMSSM, mSUGRA, etc. (hay cientos de variantes). Descartar la SUSY de forma absoluta gracias al LHC es imposible, solo se pueden descartar ciertos modelos y solo en la escala de energía alcanzable (hasta unos 5 TeV como mucho con colisiones a 14 TeV c.m.). ¡Vaya con esa ”goddamn” SUSY!
¿Cómo se pueden producir en una colisión del LHC los bosones h, H y A? Exactamente de las mismas formas que se puede producir el Higgs SM, es decir, el 90% se producirá por fusión de gluones vía tres quarks top virtuales (los bosones de Higgs cargados se producirán de otra forma, pero no importa). ¿Cómo pueden observarse? Igual que el Higgs SM para los bosones h y H, pero en ciertos canales solo para el A.
¿Se están buscando los bosones de Higgs SUSY en el LHC? Sí, por supuesto, pero aún no han sido encontrados. Ver, por ejemplo, para los bosones MSSM en CMS las transparencias de la charla de Christian Veelken (CMS), “Search for Higgs Particles in MSSM SUSY,” ICHEP 2012, 6th July, y para otros modelos NMSSM la de Jim Olsen (CMS), “Beyond MSSM Higgs @ CMS,”  ICHEP 2012, 6th July.

¿Pero de verdad no pasa nada si no se descubre la SUSY en el LHC? A todos los físicos nos gustaría que se descubriera, sobre todo porque hay muchos físicos trabajando en ella, pero la verdad es que no pasaría nada. Como nada pasó cuando el Tevatrón a principios de los 1990 no la descubrió. La seguimos buscando con el mismo ahínco que entonces y si el LHC no la encuentra en los próximos 20 años, la seguiremos buscando con el siguiente colisionador. Así de sencillo.
¿Puede resolver la SUSY todos los problemas que resuelve incluso si el LHC no la encuentra? Todos no, pero yo diría que casi todos y los que no resuelve, pues se siente, no los resuelve y punto. La SUSY no es la solución a todos los problemas del Modelo Estándar y si alguno de los problemas que podría resolver no lo resuelve pues no pasa nada.
¿Pero no dicen que la SUSY es “natural” y que el SM no lo es? Sí, lo dicen, pero seguirá siendo igual de natural incluso si ninguna superpartícula es observada en el LHC. Ver, por ejemplo, Xerxes Tata (Univ. Hawaii), “Natural Supersymmetry,” ICHEP 2012, 6th July. El asunto de la naturalidad ha estado muy de moda en la década de los 2000, pero en la década de los 2010 ya ha pasado de moda. ¿La física tiene modas? Como toda actividad humana.
No sé si le he aclarado las ideas a alguien o por el contrario las he liado más, pero bueno, lo siento en este último caso.

El día del Higgs: “Lo tenemos, aunque como científico solo puedo decir que hemos visto algo”

Fuente: Francis (th)E mule

La gran noticia del día de hoy que desde el CERN ha provocado el revuelo de toda la prensa científica del mundo. Yo os la he contado en directo en Amazings.es junto a Mario Herrero (@Fooly_Cooly): “Sigue en directo la Conferencia sobre el Higgs comentada y explicada por nuestros físicos” (recomiendo los comentarios) como en una breve nota de prensa “El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs.” Ambos hemos disfrutado mucho hoy pues los grandes descubrimientos de la física de partículas, una labor colaborativa, se disfrutan más compartidos. Por cierto, tenéis que ver esta entrevista (subtitulada) a Peter Higgs en lainformacion.com. Trataré de resumir lo que ha pasado hoy, aunque hay tantos blogs y tantas fuentes de información en la web que me es imposible hacerlo mejor que lo que ya está hecho por ahí. Aún así, ahí va…

Voy a empezar por el final. La combinación oficiosa de Philip Gibbs para el canal difotónico de ATLAS y CMS no deja lugar a dudas, una evidencia a 6,02 sigmas de significación estadística local en el intervalo entre 110 y 150 GeV. Gracias a analizar los datos de colisiones tanto de 2011 como de 2012, se ha logrado un descubrimiento de un bosón escalar con una masa entre 125 y 126 GeV.

Continuando con el final, la combinación ATLAS+CMS oficiosa de Philip Gibbs para los dos canales que han permitido el descubrimiento del Higgs, tampoco deja lugar a dudas, una señal a 7,39 sigmas de confianza estadística local. Estos dos canales son el canal difotónico (0,2 % de las desintegraciones de un Higgs) y el canal de desintegración en dos bosones Z que se desintegran a su vez en cuatro leptones cargados, cuatro muones, cuatro electrones, o dos electrones y dos muones (0,01 % de las desintegraciones del Higgs). Estas figuras oficiosas serán muy parecidas a las figuras oficiales (que seguramente no se publicarán hasta el año que viene).

Para los interesados en la combinación oficiosa de todos los datos disponibles, Philip Gibbs nos presenta en esta figura la combinación de los datos de LEP2, Tevatrón (publicación del pasado lunes), LHC 2011 (reanalizados) y LHC 2012. Una combinación oficiosa que muestra una señal de un Higgs con una masa de 125,5 GeV con una confianza estadística local de 7,45 sigmas. Más aún, se excluye el bosón de Higgs en todo el intervalo de masas entre 100 y 600 GeV, salvo a dicha masa, en la zona en fondo de color rojo hasta 5 sigmas (rosa oscuro para 4 sigmas y rosa claro para 3 sigmas), lo que nos indica que se pueden utilizar los sigmas locales sin necesidad de recurrir a sigmas globales. La experiencia previa indica que esta figura será bastante parecida a la figura oficial que combine estos datos (que posiblemente nunca se publique). Realmente el trabajo de Philip Gibbs es espectacular. Además, la señal de un Higgs del Modelo estándar tiene un valor de 0,99 (cuando se esperaría un valor igual a 1) lo que ratifica que la señal tiene toda la pinta de ser el Higgs predicho (sin aditamentos).

Esta mañana todo empezó con la charla de Joe (Joseph) Incandela,”Status of the CMS SM Higgs Search” [slides]. Tras contarnos cómo se produce el Higgs en el LHC, cómo se desintegra y cómo funcionan los detectores de CMS de diferentes tipos de partículas, fue directo al grano, al canal difotónico. En este canal el Higgs se desintegra en un par de fotones, las trazas verdes que se ven en este evento obtenido en mayo de 2012, un evento limpio, casi de libro, de un candidato al Higgs (nunca se puede estar seguro al 100%).

Los datos en el canal difotónico de 2012 (con colisiones a 8 TeV c.m.) no son suficientes para proclamar un descubrimiento, como muestra esta figura. solo hay un pequeño exceso respecto a las predicciones para el fondo (el punto que está encima de la línea rayada en la parte alta del óvalo negro). De hecho, hay puntos similares en otros lugares. Para obtener una descubrimiento hay que combinar las colisiones de 2012 con las de 2011 (que fueron a 7 TeV c.m.). Esta combinación ha exigido un reanálisis de los datos de 2011 con los mismos algoritmos que se han utilizado para analizar los datos de 2012, con lo que ha mejorado enormemente el resultado.

El resultado es esta figura de gran belleza y limpia como una patena. Hay una “joroba” (bump) clarísima alrededor de 125 GeV, que aparece ampliada en el recuadro. La coincidencia de esta joroba tanto en los datos de 2011 como en los de 2012 es clave para el descubrimiento. Esta figura no deja lugar a dudas, con una significación local de 4,1 sigmas (aunque en el rango completo entre 110 y 150 GeV se reduce a solo 3,2 sigmas) se ha observado un bosón escalar neutro con una masa de unos 125 GeV. Se ha observado un Higgs (lo que no significa que sea El Higgs predicho por el Modelo Estándar).
 En el canal difotónico se han clasificado los eventos en varios tipos diferentes (Untagged 0, 1, 2, 3 y Di-jets). Esta figura muestra el ajuste de los datos con las predicciones del modelo estándar, realmente muy bueno (mejor de lo que se había observado en diciembre de 2011). El resultado es que la tasa de desintegración (sección eficaz) para este canal es poco mayor pero compatible con la predicha por el modelo estándar, en concreto σ/σ_SM = 1,56 ± 0,43 × SM. Este resultado indica que es muy probable que el bosón observado sea un Higgs, aunque para asegurar que sea el predicho por el modelo estándar hay que estudiar cómo se desintegra en otros canales.

El otro canal estrella para la búsqueda del Higgs, por su limpieza es la desintegración H→ZZ→4 leptones (e,μ). En este caso os muestro un evento de la desintegración de un (candidato al) Higgs en dos muones y dos electrones observado el 28 de mayo en CMS. Podéis ver claramente la limpieza de este evento y lo bien que se reconstruyen tanto la energía como las trayectorias de los muones y de los electrones en CMS.

Esta figura muestra claramente una señal de un Higgs con una masa de 126 GeV (el pico en rojo es la predicción teórica para un Higgs y los puntos negros están claramente por encima de la parte azul correspondiente a la ausencia del Higgs). Esta señal es muy limpia aunque estamos hablando de muy poquitos eventos, pero muy poquitos eventos (4+3+2 = 9 eventos, sobre un fondo esperado de 1+1+1 = 3). En diciembre de 2012 estaremos hablando de como mínimo el doble de eventos. Creo que es importante resaltar esto a la hora de sacar conclusiones de este canal de desintegración. La significación estadística para este canal de desintegración es de 3,2 sigmas para la observación de un Higgs con una masa de 125,5 GeV. Puede parecer poco, pero hay que combinarlo con el canal difotónico.

Esta figura es una de las más espectaculares que hemos observado esta mañana y provocó un clamoroso aplauso en toda la sala. De hecho, en el webcast de esta mañana la pusieron tan poco tiempo (para filmar a la gente aplaudiendo y al conferenciante muy contento) que casi no me dio tiempo a leer el resultado y tuve que preguntar a Mario y a Javier que me aseguraron, como en los buenos partidos de fútbol que fue gol, un golazo. La significación estadística del canal difotónico (4,1 sigmas) combinada con la del canal ZZ->4l (3,2 sigmas) resulta en… tatachín, tatachán, cinco sigmas, 5 σ, de significación estadística para un bosón de Higgs (esto es algo mayor de lo esperado, que eran solo 4,7 sigmas).

Un resultado espectacular. La verdad es que esta figura merecía el clamoroso aplauso y no me resisto a poner aquí este trocito de transparencia. El canal WW da una señal mucho menos clara, pero que también apunta a un Higgs con la misma masa, con lo que la confianza estadística final de CMS sube un pelín más hasta 5,1 sigmas.

Pero todo no puede ser perfecto. El canal H->tau tau muestra un claro déficit respecto a las expectativas para un bosón de Higgs con 125 GeV, como muestra esta figura. La curva negra continua pasa por la curva roja (no existencia del Higgs) alejada a casi 2 sigmas de la curva negra a trazos discontinuos (existencia del Higgs). Obviamente, la curva negra está por encima de la unidad, luego este canal aún no es lo suficientemente sensible como para excluir un Higgs. Habrá que estar muy atentos a la evolución de este canal, el gran disidente.

Tras considerar este último canal con todos los demás, la confianza estadística baja a 4,9 sigmas, lo que es prácticamente lo mismo que 5,0 sigmas y por tanto podemos proclamar el descubrimiento de un Higgs. Sin embargo, el canal disidente está ahí y desde la dirección del CERN se ha tomado la decisión de afirmar que aún no podemos asegurar con rotundidad que se trata del Higgs del Modelo Estándar. Todos los demás canales estudiados (muy poquitos, por cierto), indican que sí se trata de la ansiada partícula y solo el canal con mayor incertidumbre apunta en contra, pero así es la dirección del CERN. Ya sabéis que “se acepta pulpo como animal de compañía.”

¿Cuál es la masa del bosón de Higgs según CMS? Esta figura muestra el mejor ajuste combinado a todos los canales, que conduce a una masa de 125,3 ± 0,6 GeV (que coincide bastante bien con el valor obtenido por Philip Gibbs de forma oficiosa 125,5 GeV).

¿Se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar? Todavía es pronto para poderlo asegurar de forma rotunda y la cociente σ/σSM = 0,80 ± 0,22, que es compatible con la hipótesis de que sea igual a la unidad. Realmente debemos recordar que los canales menos sensibles son los que difieren más con respecto al Higgs del Modelo Estándar, como muestra la siguiente figura.

El canal H→ττ (VBF tag) y H→WW (VH tag) son los que marcan las mayores diferencias respecto a la predicción del Modelo Estándar, estando muy bien ajustado a sus predicciones el canal H→ZZ. Por todo ello, en mi modesta opinión, se ha descubierto el Higgs predicho hasta que no se demuestre lo contrario. A muchos nos gustaría ver un primo del Higgs en lugar de El Higgs, pero por ahora es lo que tenemos.
Mañana os comentaré los resultados de ATLAS. Lo siento pero lo tengo que dejar aquí por ahora…

Anuncian nuevas pruebas sobre una posible partícula que podría ser el Higgs

Fuente: Neofronteras

En una conferencia organizada por el CERN han anunciado hoy que se han encontrado las pruebas más sólidas hasta el momento a favor de la existencia de una nueva partícula que podría ser el bosón Higgs.
Mucho se ha especulado en las últimas semanas sobre el descubrimiento del Higgs. Los rumores se han vuelto a extender por la blogosfera. Una vez más muchos hemos pensado que los físicos de partículas no son gente seria. Pero hoy ya tenemos datos oficiales.
Los sucesos acumulados durante los últimos meses permiten permiten avalar los resultados preliminares del año pasado sobre la existencia de una partícula de unos 125-126 GeV/c². Al parecer podría tratarse del bosón de Higgs, pero todavía es pronto para anunciar el descubrimiento de una nueva partícula y, menos aún del bosón de Higgs. En algunos medios españoles han metido la pata al traducir por “evidencia” la palabra inglesa “evidence”, que significa más bien “prueba” o “indicio”. Si la situación fuera “evidente” no haría falta ser tan cautos.
La significación estadística global parece ser de 3,6 sigmas en uno de los canales, todavía un poco alejado de las 5 sigmas que se cree que se necesitan para proclamar un descubrimiento, pero se puede subir a esas 5 sigmas si se combinan datos. El nivel de significación depende de la gama de masas considerada (no es lo mismo si se considera una gama amplia o global que si nos centramos en torno al los 125 GeV/c²) y del experimento considerado. El LHC consta de varios “detectores” o experimentos que tienen un diseño diferente. A estas horas, todavía sin un artículo disponible, no parece claro este punto, pero parece que combinando datos de varios canales se llega a esos 5 sigmas.
Como ya todos sabemos, el Higgs se introdujo para romper la simetría electrodébil y dotar de masa a los bosones W y Z que median en la interacción débil y así separar la interacción electromagnética de la interacción débil (responsable de la desintegración radiactiva). A cierto nivel de energía ambas interacciones estarían unificadas en una sola. Este mecanismo teórico de adquisición de masa se ha usado posteriormente para dotar de masa a las demás partículas.
También se ha propuesto la existencia de más de un bosón de Higgs. Se llama bosón a una partícula de spin entero y, por tanto, se rige por la estadística de Bose-Einstein.
Las expectativas crecieron desde que en la anterior campaña se anunció la posible existencia de una partícula con una masa en torno a los 125 GeV/c² que podría ser el Higgs. Recordemos que la masa de un protón es más o menos 1 GeV/c², así que esta partícula tendría una masa similar a la de un átomo de Cesio.
El CERN y en LHC necesitaban anunciar algún tipo de descubrimiento importante después de todos estos años. No deja de ser mala suerte que el anterior colisionador del CERN, el LEP, no pudiera alcanzar por muy poco la energía necesaria para detectar esta supuesta partícula con cierta fiabilidad. Las colisiones en ese caso eran mucho más limpias que en el LHC.
Otro punto interesante es que se ha llegado a especular con la posibilidad de que el Higgs detectado no sea exactamente el producido por el modelo estándar de partículas, por lo que habría habría una nueva Física por descubrir.
Aunque siempre queda la posibilidad de que pase algo similar a los neutrinos superlumínicos y que finalmente no sea el Higgs o que ni siquiera exista tal partícula.
Y usted, amigo lector, ¿cree en la existencia del Higgs?
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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.

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