Anchura de la desintegración del bosón de Higgs en dimuón

Question

Según el modelo estándar, la anchura parcial de la desintegración del Higgs en dimuón (hasta el nivel del árbol) es: $$\Gamma\approx\frac{m_H}{8\pi} \left(\frac{m_{\mu}}{\nu}\right)^2$$ con la masa de Higgs $m_H=125 GeV$ masa del muón $m_{\mu}=0.106 GeV$ y el valor esperado en el vacío del campo de Higgs $\nu=246 GeV$ aparentemente, la amplitud de la desintegración es extremadamente pequeña. Entonces, ¿por qué la anchura del pico de resonancia en el gráfico de ATLAS es tan grande? Si se debe a errores experimentales, ¿tiene algún sentido compararlo con el resultado teórico? Me cuesta entenderlo. ¿Podría alguien explicármelo?

Answer 1

Son principalmente los errores de medición y de detector los que conforman la anchura en los gráficos que muestras. El Monte Carlo simula la resolución del detector y dobla los valores teóricos cuando dice que la anchura concuerda. Se espera que la anchura real sea mucho menor.

En este vemos que la anchura real sólo viene dada como límite por los experimentos

el experimento CMS es el que más se ha acercado a su determinación, limitando el parámetro a < 17 MeV con un 95% de confianza. Este resultado es unos dos órdenes de magnitud mejor que los límites anteriores: una prueba más contundente de que este bosón se parece al bosón de Higgs del Modelo Estándar.

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Para una masa del Higgs de ~125 GeV, el Modelo Estándar predice una anchura del Higgs de ~4 MeV. Una anchura bastante baja, especialmente si se compara con la de sus compatriotas, los bosones W y Z (con anchuras de ~2 GeV y ~ 2,5 GeV, respectivamente). Antes de este nuevo resultado, el mejor límite de la anchura del bosón de Higgs lo situaba por debajo de 3,4 GeV, basándose en medidas directas.

Así que tenías razón al estar desconcertado. Las anchuras parciales se suman a la anchura total, que era como la anchura de la decaimientos neutrinos invisibles del Z se han encontrado, haciendo la suma y restando del total. Las máquinas leptónicas tienen mucha más precisión que las hadrónicas. Por eso las próximo colisionador será una leptónica, para estudiar el Higgs con precisión y precisar las discrepancias con el modelo estándar. Las máquinas hadrónicas son sólo máquinas de descubrimiento.

Answer 2

La amplitud de desintegración de una partícula es antiproporcional a su tiempo de vida. Observando la anchura parcial de la $H \rightarrow \mu \mu$ se podría esperar que el tiempo de vida del bosón de Higgs sea largo. Esto sería correcto, si el Higgs sólo pudiera decaer en muones. En otras palabras: La desintegración del Higgs a muones tiene una baja probabilidad (una baja relación de ramificación). Esto viene del hecho de que las masas de los muones son relativamente pequeñas, por lo que el acoplamiento del Higgs a los muones también es pequeño.

También podemos verlo desde la otra perspectiva: El bosón de Higgs es pesado y no hay reglas de conservación que impidan su desintegración, por lo que su vida es muy corta. Una vida corta significa una gran amplitud de desintegración. La desintegración total es la suma de las desintegraciones parciales:

$$\Gamma_H^{tot} = \Gamma_H^{b\bar{b}} + \Gamma_H^{WW} + \dots + \Gamma_H^{\mu \mu} + \dots$$

Desde $\Gamma_H^{tot}$ es grande y $\Gamma_H^{\mu\mu}$ es pequeño, podemos concluir (de nuevo) que la razón de ramificación a muones es pequeña.

En los bonitos gráficos de ATLAS que muestras, el bosón de Higgs puede decaer en cualquier cosa, de ahí que observemos la gran amplitud de decaimiento, incluso cuando miramos sólo en el espectro de muones.

Quizá esto pueda entenderse mejor utilizando el principio de incertidumbre de Heisenberg. Dado que el tiempo de vida del bosón de Higgs es corto, su energía (masa) no es bien conocida, está difuminada alrededor de su masa real. Por lo tanto, cuando decae, la masa invariante de los productos de la desintegración también se difumina, independientemente de las partículas en las que decaiga.