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Partícula de Higgs
Este corto capítulo te dará algún entendimiento para la búsqueda de esta nueva partícula en el LHC y sus resultados recientemente referidos.

Aunque el LHC está buscando muchas partículas nuevas, la partícula de Higgs es la más famosa. Su descubrimiento podría dar evidencia a una teoría que fue planteada a mediados de los años 1960 describiendo un mecanismo que da masa a todas las partículas del modelo estándar. Se puede derivar de simetrías que todas las partículas elementales tenían masa nula inmediatamente después del Big Bang. La teoría sospecha que un medio, que se llama campo de Higgs, se extendió a través de nuestro Universo una trillonésima de segundo después del Big Bang. Las partículas que interactúan con este campo tienen una masa diferente de cero. Cuánto más interactúan con el medio, es decir cuanto mayor son sus masas observadas, más fuerza es necesaria a fin de acelerarla en el interior de dicho medio. Para probar la idea del campo de Higgs experimentalmente, se requiere encontrar una cantidad observable ligada al mismo. La teoría cuántica de campos requiere que una partícula asociada al campo de Higgs tiene que existir y que esta partícula puede ser creada al excitar el campo. Esto es precisamente como crear pequeños remolinos en un fluído o un gas. Estos remolinos son los cuantos de las excitaciones del campo de Higgs y son de hecho, las partículas de Higgs. Son masivas y tienen una vida media extremadamente corta. Antes de que puedan alcanzar los detectores se desintegran en otras partículas, de modo que solo pueden ser encontradas sobre la base de sus productos de desintegración. Tras tres años de toma de datos y análisis tenemos ahora una buena idea de la masa de la partícula de Higgs. A causa de su masa de 125 GeV puede decaer en un espectro ancho de partículas. Medir las fracciones con las que la partícula de Higgs decae a otras partículas es un esfuerzo en marcha y clarificará si lo que llamamos partícula de Higgs es realmente la partícula de Higgs predicha por la teoría.
En el diagrama de abajo ves predicciones teóricas y resultados experimentales de ATLAS y CMS detallando las fracciones (eje y) de los procesos de desintegración más importantes de la partícula de Higgs. Adicionalmente puedes ver áreas sombreadas en el interior de los diagramas. Estas áreas muestran masas de Higgs que, antes de su descubrimiento, habían sido excluídas tras los análisis de ATLAS y CMS en el LHC (con intervalo de confíanza del 95%) o por el predecesor del LHC, el experimento LEP, hace 10 años. La influencia de la masa del Higgs ( eje x) sobre estas fracciones se muestra también.



Pon atención a la línea a rayas azul (indicada con WW). Como buscando la partícula de Higgs observando excesos en sucesos con pares de quarks b anti-b ( debido a la gran cantidad de ruido), es difícil, esta línea nos dice: La desintegración de la partícula de Higgs en dos partículas W es el modo de desintegración más prometedor en el rango de masas completo aún permitido. Estas W's tienen cargas eléctricas opuestas ya que la partícula de Higgs es eléctricamente neutral.

Aquí está el problema: Si la partícula de Higgs decae en dos W se mostrará como la producción de dos W con carga eléctrica opuesta. Este proceso de producción está permitido por el Modelo Estándar y no tiene nada que ver con la producción del Higgs (ver el diagrama de Feynmann de abajo) Además el último proceso (producción de dos W sin participación del Higgs) es mucho más frecuente ( entre 4 y 10 veces, dependiendo de la masa). Pero ¿cómo distinguir entre ambos procesos? Es posible empleando cantidades físicas adicionales. Aprendiendo cómo usarlas te ayudará a distinguir entre ambos procesos. Los físicos de partículas le llaman a ésto: mejorar la relación señal/ruido.

Así estamos interesados en la búsqueda del Higgs en el canal WW. Ambas partículas W decaen independientemente una de otra de acuerdo a las leyes del Modelo Estándar. Una de las partículas W puede decaer en un par de quark y antiquark o leptón y antileptón. Queremos mirar el modo en el que ambas partículas W decaen en un par de leptón y antileptón , excluyendo los taus debido a su complicada identificación. Los físicos le llaman, a este modo de desintegración H→WW→lνlν o WW→lνlν en corto, dónde l indica un electrón, muón, positrón o anti-muón.

Para incrementar la relación de señal a ruido en el modo de desintegración escogido nos concentraremos en el ángulo entre los dos leptones detectables en el plano perpendicular a la pipa del haz. Este ángulo se llama ángulo de apertura. Considerando las relaciones de spín de las partículas producidas esperamos que los sucesos de Higgs resulten principalmente a ángulos menores de 90 grados mientras que los sucesos WW del Modelo Estándar aparecen en todo el rango angular con preferencia a ángulos mayores de 90 grados. Poniendo esta información en histogramas conducirá a una bonita visualización para posteriores análisis.

Señal versus ruido

Aquí hay dos diagramas de Feynmann más mostrando la producción y desintegración del Higgs y de un suceso de ruido (en este caso, producción de un par de quarks top)





Sucesos WW
  • Aquí puedes aprender como identificar sucesos WW.
  • En primer lugar observa ell valor del momento transverse perdido (MET, “Missing”ET, Energía transversa perdida). Si es mayor de 20 GeV tienes que analizar el suceso con más profundidad. En este ejemplo el MET es de 52 GeV. También parece que no hay “jets” en el suceso. Muy bien. Sigue adelante. Ahora es recomendable escoger solamente trazas de partículas que se puedan asignar a los leptones candidatos eléctricamente cargados con alto momento transverso. Echa una mirada a la siguiente figura para ver como funciona.
  • Así es como se ve el suceso tras aplicar el corte en PT. Solo se muestran las trazas de partículas que tienen un momento transverso superior a 20 GeV. Solo dos trazas han quedado. Muy bien. Se les puede asignar electrón o positrón y muón o antimuón, respectivamente. Busquemos que tipo de leptones son y si nuestro suceso satisface todos los criterios para ser un candidato WW. Esto sucederá en la siguiente imagen. Justamente un comentario: En el caso de encontrar dos leptones de la misma familia ( por ejemplo electrón y positrón) tenemos que chequear, de nuevo, el momento transverse faltante. Debemos tener un valor superior a 40 GeV. Si no satisface este criterio le llamaremos suceso de ruido.
  • A la derecha vemos un electron en vuelo ( en la vista desde atrás arriba a la derecha) a través del detector con momento transverse de 53 GeV. Esto es mucho. Al otro lado vemos un antimuón con momento transverse de 27 GeV. Así que hemos encontrado dos leptons con carga eléctrica opuesta, que satisfacen nuestros criterios para el momento transverso. Para estar seguros de que también se produjeron dos neutrinos solo necesitamos 25 GeV de momento transverso faltante. De hecho es algo mayor (52 GeV). Es por ello que le asignamos como candidate WW. Para tener major información acerca del origen de este suceso medimos el ángulo entre los dos leptons detectados ( electron y antimuón)en el plano perpendicular a la pipa del haz ( lo que se puede hacer manteniendo la tecla “P” del teclado y seleccionando estas dos trazas.) El resultado es de 114,2 grados


Y ahora, que sabes cómo encontrar sucesos WW, puedes proceder a la medida