¿Qué se necesita para reivindicar el descubrimiento del bosón de Higgs?

Question

Según tengo entendido el bosón de Higg puede ser descubierto por el LHC porque las colisiones se hacen a una energía lo suficientemente alta como para producirlo y porque la luminosidad será también lo suficientemente alta.

¿Pero qué se necesita para afirmar un verdadero "descubrimiento"? Supongo que no hay un evento que diga "hey, eso es un bosón de Higg" ... También supongo que este fue el mismo tipo de situación cuando se descubrió el quark top.

¿Cómo funciona?

Editar:

Hay una buena introducción al tema en esta página del experimento CMS y las diversas formas de detectarlo, por ejemplo mediante el siguiente proceso.

Answer 1

NOTA: Recomiendo la lectura de Respuesta de Noldorin primero, para obtener información de fondo útil, y La respuesta de Matt después si quiere detalles adicionales

Noldorin tiene razón en que no hay un solo evento en el que se pueda mirar e identificar un bosón de Higgs. De hecho, a menos que las teorías estén drásticamente equivocadas, la partícula de Higgs es inestable y tiene un tiempo de vida extremadamente corto, ¡tan corto que ni siquiera saldrá del espacio vacío dentro del detector! Incluso a la velocidad de la luz, sólo puede viajar una distancia microscópica antes de descomponerse en otras partículas. (Si puedo encontrar algunas predicciones numéricas, editaré esa información). Así que no podremos detectar un bosón de Higgs directamente .

Lo que los científicos buscarán son patrones particulares de partículas conocidas que son firmas de la desintegración de Higgs. Por ejemplo, el modelo estándar predice que un bosón de Higgs podría decaer en dos bosones Z, que a su vez decaen en un muón y un antimuón cada uno. Así que si los físicos ven que una colisión particular produce dos muones y dos antimuones, entre otras partículas, existe la posibilidad de que en algún lugar del lío de partículas producidas en esa colisión, hubiera un bosón de Higgs. Este es sólo un ejemplo, por supuesto; hay muchos otros conjuntos de partículas en los que el Higgs podría decaer, y los grandes detectores del LHC están diseñados para buscarlos todos.

Por supuesto, la desintegración del bosón de Higgs no es lo único que podría producir dos pares de muones y antimuones, y lo mismo ocurre con otros posibles productos de desintegración. Por lo tanto, el simple hecho de ver los productos de desintegración esperados no es una señal segura de la detección del bosón de Higgs. Las verdaderas pruebas vendrán de los resultados de muchas colisiones (miles de millones o trillones), acumuladas a lo largo del tiempo.

Para cada conjunto posible de productos de desintegración, se puede trazar la fracción de colisiones en las que se producen esos productos de desintegración (o más bien, la sección transversal de dispersión, una cantidad relacionada) contra la energía total de las partículas que entran en la colisión. Si el bosón de Higgs es real, se verá un pico, llamado resonancia en el gráfico en la energía correspondiente a la masa de la partícula de Higgs. Se parecerá a este gráfico, que se produjo para el bosón Z (que tiene una masa de sólo 91 GeV):

La imagen es de http://blogs.uslhc.us/the-z-boson-and-resonances que en realidad es una lectura bastante buena.

En fin, resumiendo: la principal firma del bosón de Higgs, al igual que otras partículas inestables, será este pico de resonancia que aparece en un gráfico producido por la agregación de datos de muchos miles o miles de millones de colisiones. Esperemos que esto aclare un poco más por qué va a haber un montón de análisis detallados antes de que consigamos una clara detección o no de la partícula de Higgs.

Answer 2

La respuesta de David Zaslavsky va más allá para responder a la pregunta "¿qué se necesita para afirmar el descubrimiento de una nueva partícula?", pero para afirmar el descubrimiento de el bosón de Higgs, se necesita mucho más. La primera señal de que la partícula es realmente el Higgs predicho serán los modos de desintegración en los que aparezca. El Modelo Estándar hace una predicción específica para la tasa de diferentes tipos de eventos de Higgs en función de su masa. Podría decaer en dos bosones Z, cada uno de los cuales decaería en dos muones, como explicó David Zaslavsky, pero sólo si es lo suficientemente pesado. Si es más ligero, decaería principalmente en quarks bottom y anti-bottom, que son bastante difíciles de ver porque las interacciones fuertes ordinarias los producen con mucha más frecuencia. También decaería raramente en dos fotones, pero ésta es una señal lo suficientemente distintiva como para que sea relativamente fácil de estudiar. La tasa y el tipo de eventos que se observan se contrastarían con las predicciones del Modelo Estándar para la masa observada. Por ejemplo, si apareciera una señal con 4 muones, pero con una masa de sólo 100 GeV, sabríamos que no estamos viendo el Higgs, sino algo más extraño y no predicho. O si una partícula de 160 GeV decayera frecuentemente en dos fotones, sabríamos que no es el Higgs, que a esa masa decaería principalmente en un par de bosones Z o W. Así que hay una serie de comprobaciones de consistencia entre la masa y los modos de desintegración. Sin embargo, se necesita mucho más para decir realmente que es el Higgs. Por un lado, debería ser un escalar, es decir, una partícula sin espín. El espín puede comprobarse observando la separación angular entre los productos de desintegración. Además, el bosón de Higgs interactúa con partículas conocidas de forma muy específica, por lo que habría que realizar el mayor número posible de pruebas al respecto. Incluso si la partícula no es el Higgs del Modelo Estándar, podría ser un tipo de bosón de Higgs en una teoría extendida, como el Modelo Estándar supersimétrico. El camino desde el descubrimiento de algunos La transición de una nueva partícula a una explicación teórica completamente convincente de lo que es la partícula podría ser larga, e incluso podría implicar a otros colisionadores en el futuro (como el propuesto Colisionador Lineal Internacional).

Por ahora, por supuesto, todos estamos esperando algo Una vez que esto ocurra, el trabajo de precisar lo que significa el descubrimiento será emocionante y continuará durante años.

Answer 3

No soy un físico de partículas, pero esto es un pequeño resumen de lo que entiendo.

Las partículas que colisionan, en particular los hadrones (al estar compuestos por tres quarks y un campo de gluones), son muy capaces de generar colisiones muy "desordenadas", tanto más cuanto mayor sea la energía. Por "desordenada" quiero decir que las variaciones en los posibles resultados de la colisión (el número de diagramas de Feynmann diferentes) es bastante grande. Por supuesto, ciertos resultados son mucho más elevados que otros, y las probabilidades de los mismos pueden estimarse en la teoría cuántica de campos. En cualquier caso, puede haber desintegraciones en todo tipo de partículas fundamentales (con diferentes cargas, espines, masas, etc.), y luego más desintegraciones, y así sucesivamente.

Verificar que una partícula (en este caso el bosón de Higgs) es realmente lo que predice la teoría requiere muchas ejecuciones del experimento, y es en gran medida un complejo juego de probabilidades. Dado que las propiedades del bosón de Higgs no se conocen exactamente, lo que los físicos de partículas buscan es señales de una partícula perdida . es decir, una violación de alguna ley de conservación en la colisión (normalmente energía o momento). Esto es un buen indicio de que hay una partícula desconocida que no se ha tenido en cuenta. (Por ejemplo, los neutrinos tienen una interacción demasiado débil para ser detectados directamente, y fueron descubiertos por primera vez al notar que faltaba una pequeña energía).

Por el momento, todo lo que sabemos a partir de los datos experimentales anteriores es que el límite inferior de la masa del bosón de Higgs es de 115 GeV/c² - bastante alto, pero teóricamente bien dentro del rango del LHC. Esto nos ayuda un poco a saber dónde buscar, pero al fin y al cabo, lo que nos da el descubrimiento final es el aplastamiento de protones una y otra vez.

Answer 4

Una respuesta que falta en los buenos resúmenes anteriores es la verdadera razón por la que hay dos montajes experimentales en el LHC. La verificación independiente de los experimentos con diferentes errores sistemáticos de los detectores y de los cálculos/metodología. Un ejemplo bastante reciente fue el anuncio de 3sigma del Higgs a 114GeV por ALEPH , que se redujo en sigma hasta ser indetectable cuando los otros tres experimentos no vieron la resonancia.

Los errores de los detectores deben ser evidentes, las diferentes precisiones y métodos de recogida de información podrían introducir una "señal" inesperada.

Los errores informáticos y metodológicos son más insidiosos y se basan sobre todo en la observación sociológica de que grandes grupos de personas, aunque sean físicos, pueden tomar la dirección equivocada si se les da el suficiente entusiasmo (mentalidad de rebaño/manada). La historia ha registrado las corrientes alternas neutras, por ejemplo, "ahora se ven, ahora no", porque detrás de los "descubrimientos" había nombres de mucho peso.

Así que son absolutamente necesarias al menos dos confirmaciones independientes.