Búsqueda del Higgs: nueva partícula detectada

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Ayer, 5 de julio de 2012, el CERN hizo público en un seminario previo a la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, ICHEP201, que se celebra del 4 al 7 del presente mes en Melbourne (Australia) los últimos resultados obtenidos por el acelerador de partículas LHC en la búsqueda del bosón de Higgs, el último rincón del modelo estándar que todavía queda por confirmar experimentalmente.

El análisis preliminar de los datos obtenidos por los experimentos ATLAS y CMS (ambos instalados en el acelerador LHC) indican la existencia de una partícula, no observada hasta ahora, con una masa al rededor de 126GeV/c${}^2$. Dicha partícula es un bosón, y su spin no puede ser 1; por lo que sus características de momento parecen encajar a la perfección con el modelo de Higgs.

Como siempre cuando se realizan anuncios de este calibre, La web de Física recomienda acudir directamente a las fuentes reales de la información, para no caer en la especulación de los medios generalistas. Por ese motivo, a continuación incluimos una traducción de las notas de prensa publicadas ayer por CERN, la colaboración ATLAS y el experimento CMS.

No obstante, aquellos que podáis leer Inglés, recomendamos acudir a las fuentes oficiales del mismo CERN:

CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson
Latest Results from ATLAS Higgs Search
(CMS) Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV


Podéis comentar la noticia en el hilo oficial de discusión sobre la búsqueda del Higgs.

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Nota de prensa del CERN

Experimentos del CERN observan partículas en consonancia con tan buscado bosón de Higgs

(Fuente: CERN)

Ginebra, 4 de julio de 2012. En un seminario celebrado en CERN hoy como prolegómeno a la principal conferencia anual en Física de partículas, ICHEP2012 en Melbourne, los experimentos ATLAS y CMS presentaron sus últimos resultados preliminares en la búsqueda de la partícula de Higgs buscado por mucho tiempo. Ambos experimentos observamos una nueva partícula en la región de masa alrededor de 125-126 GeV.

"Observamos en nuestras señas de datos claros de una nueva partícula, en el nivel de 5 sigma, en la región de la masa alrededor de 126 GeV. El excelente rendimiento del LHC y Atlas y los enormes esfuerzos de muchas personas nos han llevado a este momento emocionante", dijo el portavoz de ATLAS experimento Fabiola Gianotti, "pero un poco más de tiempo que se necesita para la preparación de estos resultados para su publicación".

"Los resultados son preliminares, pero la señal de 5 sigma en alrededor de 125 GeV que estamos viendo es espectacular. Es, de hecho ,una nueva partícula. Sabemos que debe ser un bosón y es el más pesado que se ha encontrado", dijo el portavoz de CMS experimento de Joe Incandela . "Las implicaciones son muy importantes y es precisamente por esta razón que debemos ser muy diligentes en todos nuestros estudios y realizar comprobaciones cruzadas".

"Es difícil no emocionarse con estos resultados", dijo el director de investigación del CERN, Sergio Bertolucci. "El año pasado declaramos que en 2012 sería posible encontrar una partícula con las características del Higgs, o bien descartar su existencia en el Modelo Estándar. Con toda la prudencia necesaria, me parece que estamos en un punto de inflexión: la observación de esta partícula nueva, indica el camino para el futuro hacia una comprensión más detallada de lo que estamos viendo en los datos".

Los resultados presentados hoy se tildan de preliminares. Se basan en los datos recogidos en 2011 y 2012, con los datos de 2012 aún bajo análisis. La publicación de los análisis adelantados hoy se esperan para finales de julio. Una imagen aún más completa de las observaciones se hará pública a finales de este año, después de que el LHC proporcione los experimentos aún más datos.

El siguiente paso será determinar la naturaleza exacta de la partícula y su importancia para nuestra comprensión del universo. ¿Son sus propiedades como se espera para el bosón de Higgs, tan buscada, el último ingrediente que falta en el Modelo Estándar de física de partículas? ¿O es algo más exótico? El Modelo Estándar describe las partículas fundamentales de las que nosotros, y todo lo visible en el universo, estamos hechos; así como las fuerzas que actúan entre ellas. Toda la materia que se puede ver, sin embargo, parece ser no más de aproximadamente 4% del total. Una versión más exótica de la partícula de Higgs podría ser un puente para la comprensión del 96% del universo, que permanece en la oscuridad.

"Hemos alcanzado un hito en nuestra comprensión de la naturaleza", dijo el director general del CERN, Rolf Heuer. "El descubrimiento de una partícula en consonancia con el bosón de Higgs se abre el camino a estudios más detallados, lo que requiere grandes estadísticas, que concretar las propiedades de la partícula nueva, y es probable que arrojar luz sobre otros misterios de nuestro universo."

La identificación positiva de las características de la nueva partícula llevará un tiempo considerable y requerirá de mayores datos. Pero cualquiera que sea la forma de la partícula de Higgs tenga, nuestro conocimiento de la estructura fundamental de la materia está a punto de dar un gran paso hacia adelante.

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Nota de prensa de la colaboración ATLAS

Últimos resultados de ATLAS en la búsqueda del bosón Higgs

(Fuente: Colaboración ATLAS)

El 4 de julio de 2012, el experimento ATLAS presentó una versión preliminar de sus resultados actualizados en la búsqueda del bosón de Higgs. Los resultados se presentaron en un seminario organizado en forma conjunta en el CERN y por videoconferencia en la ICHEP, la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías en Melbourne, Australia. Un análisis detallado se presentará más adelante esta semana. En el CERN, los resultados preliminares fueron presentados a los científicos en el sitio y vía webcast a sus colegas ubicados en cientos de instituciones de todo el mundo.

"La búsqueda está más avanzada de hoy de lo que imaginábamos posible", dijo el portavoz de ATLAS Fabiola Gianotti. "Observamos en nuestras señas de datos claros de una nueva partícula, en el nivel de 5 sigma, en la región de la masa alrededor de 126 GeV. La destacada actuación del LHC y ATLAS y los enormes esfuerzos de muchas personas nos han llevado a esta emocionante etapa. Se necesita un poco más tiempo para concluir de estos resultados, y más datos y más estudios serán necesarios para determinar las propiedades de la nueva partícula."

El bosón de Higgs es una partícula inestable, sobrevive únicamente la más mínima fracción de segundo antes de desintegrarse en otras partículas, por lo que en los experimentos se puede observar sólo mediante la medición de los productos de su descomposición. En el Modelo Estándar, la teoría física de mayor éxito que proporciona una descripción muy precisa de la materia, el bosón de Higgs se espera que decaiga a varias combinaciones diferentes de partículas, o canales, con la distribución entre los canales, dependiendo de su masa.

ATLAS ha concentrado sus esfuerzos en dos canales complementarios: decaimientos de Higgs a la de dos fotones o cuatro leptones. Ambos de estos canales tienen una resolución de masa excelente, sin embargo, el canal de dos fotones tiene una modesta señal sobre un fondo grande pero medido, y el de cuatro leptones tiene una señal más pequeña, pero un fondo muy bajo. Ambos canales muestran un exceso estadísticamente significativo en el sobre el mismo lugar: una masa de alrededor de 126 GeV. Una combinación estadística de estos canales y otros pone el significado de la señal a 5 sigma, lo que significa que sólo un experimento en tres millones vería una señal aparente esta fuerte en un universo sin un Higgs.

Los resultados actuales son una actualización de los análisis que se presentaron el pasado diciembre en un seminario del CERN, y publicado a principios de este año. Los resultados de diciembre, sobre la base de datos de colisiones de protones a 7 TeV recogidos en 2011, limita la masa del bosón de Higgs con dos ventanas estrechas en el rango de entre alrededor de 117 GeV y 129 GeV. ATLAS y CMS detectaron un pequeño exceso de eventos por encima del fondo previsto alrededor de 126 GeV, aproximadamente la masa de un átomo de yodo.

Los próximos pasos para ATLAS, LHC y la comunidad física de alta energía son para medir las propiedades de esta partícula y comparar estas medidas con las propiedades predichas de la Bosón de Higgs. Algunas de estas propiedades coinciden ya con las predicciones: el hecho de que se ve en los canales previstos y en una masa favorecida por otras mediciones indirectas. En las próximas semanas y meses, ATLAS mejorará la medida de estas propiedades, lo que permitirá una visión más clara para saber si esta partícula es el bosón de Higgs, la primera de una nueva familia, o algo completamente distinto.

El conjunto de 2012 los datos proceden de colisiones de protones con cada vez mayor de energía, de 8 TeV, e incluye más datos (recogidos en sólo tres meses) de los que se recogieron en todo el 2011. Esta rápida acumulación de datos fue posible gracias a los extraordinarios esfuerzos del grupo acelerador LHC. El conjunto de datos presentado en el seminario viene de aproximadamente un millar de billones (millones de millones) de colisiones de protones.

El detector ATLAS ha funcionado muy bien, incluso en las condiciones más exigentes de 2012, recogiendo datos de alta calidad para la búsqueda del Higgs, casi con plena eficiencia. La potencia de computalción proporcionada por el Worldwide LHC Computing Grid es esencial para la reconstrucción y el análisis de los datos.

Se espera que el LHC proporcione ATLAS con el doble de los datos de nuevo a finales del 2012, antes del comienzo de una larga parada para mejorar el acelerador. Cuando la máquina se ponga en marcha otra vez hacia finales de 2014, el sistema funcionará en casi el doble de su energía actual. Los nuevos datos de 2012 y los datos generados por el acelerador de la mejora permitirá a los científicos hacer frente a las preguntas sobre el bosón de Higgs motivada por el anuncio de hoy, así como otras cuestiones fundamentales para nuestro conocimiento de la naturaleza.

Acerca de ATLAS
Información sobre el ATLAS se pueden encontrar en el sitio web público [http://atlas.ch].

ATLAS es un experimento de física de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. El detector ATLAS es la búsqueda de nuevos fenómenos en las colisiones en la cabeza de los hadrones de energía extraordinariamente alta. ATLAS es el estudio de las fuerzas básicas que han dado forma a nuestro universo desde el principio del tiempo y que va a determinar su destino. Entre las incógnitas posibles son el origen de la masa, dimensiones extra del espacio, la unificación de fuerzas fundamentales, y las pruebas para candidatos a materia oscura en el Universo.

En el momento de la escritura, la Colaboración ATLAS consta de 3.000 físicos de 176 instituciones ubicadas en 38 países diferentes de todo el mundo. Más de 1000 estudiantes de doctorado participan en la operación de Atlas y en el análisis de sus datos.

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Nota de prensa del experimento CMS

En un seminario de hoy conjunto entre el CERN y la conferencia "ICHEP 2012" Melbourne, los investigadores del experimento Compact Muon Solenoid (CMS) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), presentó sus resultados preliminares en la búsqueda del bosón de Higgs del modelo estándar (SM) en sus datos registrados hasta junio de 2012.

CMS observa un exceso de eventos en una masa de aproximadamente 125 GeV con una significación estadística de cinco desviaciones típicas (5 sigma) por encima de las expectativas de fondo. La probabilidad de que el fondo solo fluctuante por esta cantidad o más es de aproximadamente uno de cada tres millones. La evidencia es más fuerte en los dos estados finales con la mejor resolución de la masa: en primer lugar el estado final de dos fotones y la segunda el estado final con dos pares de leptones cargados (electrones o muones). Interpretamos que esto sea debido a la producción de una partícula no observada previamente con una masa de alrededor de 125 GeV.

Los datos de la CMS también permitieron descartar la existencia del bosón de Higgs del SM en los rangos de 110 a 122.5 y 127 a 600 GeV con un nivel de confianza del 95% - masas más bajas ya fueron excluidas por el acelerador LEP del CERN en el mismo nivel de confianza.

Dentro de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, los resultados obtenidos en los diferentes canales de búsqueda son consistentes con las expectativas para el bosón de Higgs del SM. Sin embargo, se necesitan más datos para determinar si esta nueva partícula tiene todas las propiedades del bosón de Higgs o si algunas no coinciden, lo que implica una nueva física más allá del modelo estándar.

El LHC continúa ofreciendo nuevos datos a un ritmo impresionante. A finales de 2012, CMS espera contar con más del triple de la muestra total de datos actual. Estos datos permitirán a CMS esclarecer aún más la naturaleza de esta partícula recientemente observadas. También permitirá a CMS extender el alcance de sus búsquedas de otros muchos de la nueva física.

Estrategia de búsqueda de CMS

CMS analizó la muestra completa de los datos de las colisiones protón-protón recogidos en 2011 y 2012, hasta el 18 de junio. Estos cantidad de datos de hasta 5.1 fb${}^{-1}$ de luminosidad integrada, a una energía del centro de masa de 7 TeV en el 2011 y hasta el 5,3 fb${}^{-1}$ a 8 TeV en el 2012.

El modelo estándar predice que el bosón de Higgs sólo sobrevive un tiempo muy corto antes de que romperse, o "decaer", en otras partículas conocidas. CMS estudió cinco principales canales de decaimiento del Higgs bosones. Tres canales donde Higgs decae en pares de partículas bosónicas ([Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida] , ZZ o PD) y dos canales que resultan en pares de partículas fermiónicas (bb o [Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida] ), donde $\gamma$ representa un fotón, Z y W denotan los portadores de la interacción débil, b denota un quark bottom, y $\tau$ denota un leptón tau. Los canales bosónicos son sensibles por igual en la búsqueda de un bosón Higgs al rededor de 125GeV, y a su vez son más sensibles que los canales fermiónicos.

Los canales $\gamma\gamma$ y ZZ son especialmente importantes, ya que ambos permiten medir con precisión la masa de la nueva partícula. En el canal $\gamma\gamma$ la masa se determina a partir de las energías y las direcciones de dos fotones de alta energía medidos por el calorímetro electromagnético CMS cristal (ECAL). En el canal ZZ la masa se determina a partir de las desintegraciones de los dos Zs a dos pares de electrones, dos pares de muones, o un par de electrones y un par de muones. Estos se miden en ECAL, en su rastreador y medidor de neutrones interior.

El canal WW es más complejo. Cada W se identifica a través de su descomposición a un electrón y un neutrino o un muón y un neutrino. El neutrino pasan a través de los detectores, CMS no es capaz de detectarlos, por lo que el Higgs en el canal WW se manifestaría como un exceso amplio en la distribución de masa, en lugar de un pico estrecho. El canal bb tiene un gran fondo procedente de los procesos del modelo estándar, por lo que el análisis de las búsquedas de eventos en los que un bosón de Higgs se produce en asociación con una W o Z, que a su vez se descomponeen electrón(es) o muón(es). El canal $\tau\tau$ se mide mediante la observación decaimientos tauónicos a electrones, muones y hadrones.

Resultados de la búsqueda de la CMS

La muestra de datos de CMS se considera suficientemente sensible como para excluir por completo la masa rango de 110-600 GeV en el nivel de confianza del 95%, si el bosón de Higgs SM no existe. De hecho, los datos de la CMS se descarta la existencia del bosón de Higgs del SM en los rangos de masas comprendidos de 110 a 122.5 GeV y de 127 a 600 GeV con un nivel de confianza del 95%.

El rango de 122.5-127 GeV no se puede excluir porque vemos un exceso de eventos en tres de los cinco canales

• Canal de dos fotones: Hay un exceso de los eventos anteriores de fondo con una significancia de 4.1 sigma, en una masa cerca de 125 GeV. La observación del estado final de dos fotones implica que la nueva partícula es un bosón, y que no puede ser una partícula de "spin 1".
• Canal ZZ : Atendiendo a las características angulares de la desintegración, se produce un exceso de 3.2 sigma por encima de fondo de una masa de cerca de 125 GeV.
• Canal WW canal: Se observa un exceso amplio en la distribución de la masa de 1,5 Sigma.
• Canales fermiónicos: No se observa ningún exceso.

La significación estadística de la señal, a partir de un ajuste combinado de los cinco canales es de 4,9 sigma por encima del fondo. Un ajuste combinado de sólo los dos canales más sensibles y de alta resolución ($\gamma\gamma$ y ZZ) arroja una significación estadística de 5.0 sigma. La probabilidad de que el fondo fluctúe por esta cantidad o más es de aproximadamente uno de cada tres millones de dólares.

La masa de la partícula nuevo se determina a 125,3 ± 0,6 GeV, independiente de cualquier hipótesis sobre los rendimientos esperados relativos de los canales de decaimiento. El índice de producción (σDAT) de esta nueva partícula es consistente con la tasa prevista (σSM) para el bosón de Higgs del SM: σDAT / σSM = 0,80 ± 0,22.

Se ha tenido gran cuidado a la hora de entender muchos detalles de el funcionamiento del detector, la selección de eventos, las determinaciones de fondo y otras posibles fuentes de incertidumbres sistemáticas y estadísticas. El análisis de 2011 mostró un exceso de eventos cerca de 125 GeV. Por lo tanto, para evitar un posible sesgo en la elección de los criterios de selección de los datos que 2012 podría aumentar artificialmente este exceso, el análisis de los datos de 2012 se llevó a cabo "a ciegas", lo que significa que la región de interés no fue examinado hasta después de toda la criterios de análisis ha sido plenamente examinados y aprobados.

Como comprobación cruzada general, los análisis se realizaron por lo menos en dos equipos independientes. Otras características refuerzan aún más la confianza en los resultados:

• El exceso se ve en alrededor de 125 GeV tanto en el 2011 de datos de ejemplo (7 TeV) y la muestra 2012 de datos (8 TeV);
• El exceso se ve en la misma masa, tanto en los canales de alta resolución ($\gamma\gamma$ y ZZ);
• El exceso se ve en el canal WW es consistente con aquella que se derivaría de una partícula a 125 GeV;
• El exceso se observa en una amplia gama de estados finales con fotones, electrones, muones y hadrones.

Los resultados preliminares presentados hoy se perfeccionará, con el fin de presentar para su publicación a finales del verano.

Planes para el futuro

La nueva partícula observada en alrededor de 125 GeV es compatible, dentro de la precisión estadística limitada, con ser el bosón de Higgs del Modelo Estándar. Sin embargo, se requieren más datos para medir sus propiedades, tales como las tasas de descomposición de los diferentes canales ($\gamma\gamma$, ZZ, WW, bb y $\tau\tau$) y en última instancia, su spin y paridad, y por lo tanto, determinar si es de hecho el bosón de Higgs o el resultado de la nueva física más allá del modelo estándar.

El LHC sigue funcionando muy bien. A finales de 2012, CMS espera triplicar su muestra total de datos, y por lo tanto, investigar aún más la naturaleza de esta nueva partícula. Se estudiará en detalle si esta partícula es de hecho el bosón de Higgs, sus propiedades y sus implicaciones para el modelo estándar. Si no es el bosón de Higgs, CMS explorará la naturaleza de la nueva física que ello implica, que puede incluir partículas adicionales que se pueden observar en el LHC. En cualquier caso, las búsquedas también continuará por otras nuevas partículas o las fuerzas que se pueden observar en las futuras carreras del LHC a energías de haz más altas y las intensidades.

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Re: Búsqueda del Higgs: nueva partícula detectada

Hola,

Ha llegado a La web de Física un excelente vídeo divulgativo que introduce los conceptos de campos y partículas mediadoras, así como el papel del Higgs en el Modelo Estándar y el estatus de los descubrimientos del CERN el pasado julio. El director del Observatori Astronòmic de la Universitat de València, el doctor Vicent J. Martínez, ha ejercido de director científico del vídeo.