¿Cómo sabremos que hemos encontrado el bosón de Higgs?

TL; DR: después de ver algo que se parece cualitativamente al bosón de Higgs, la verificación real requerirá medir varias predicciones diferentes y hacer verificaciones cruzadas. Estas verificaciones cruzadas están relacionadas con los diferentes acoplamientos que predice el Mecanismo de Higgs del Modelo Estándar.

Michael Betancourt y Leo C. Stein dan buenas respuestas para el descubrimiento cualitativo de algo que parece un bosón de Higgs. He presentado algunos de los detalles en una publicación [1]. Lo que estamos buscando con más detalle es lo siguiente.

Hay varios acoplamientos que son importantes.

Acoplamientos de bosones vectoriales: el acoplamiento del bosón de Higgs con los bosones W y Z (por ejemplo, h WW)
Acoplamientos de fermiones: el acoplamiento del bosón de Higgs a los fermiones (p. Ej. H arriba, abajo, h abajo, h tau tau)
Acoplamientos de bosones de calibre: el acoplamiento del bosón de Higgs a fotones y gluones

Estos se enumeran en orden de importancia para la descripción del modelo estándar del mecanismo de Higgs. Hay numerosas mediciones futuristas que nos gustaría hacer, pero estas son las básicas. Por ejemplo, medir el autoacoplamiento de Higgs sería muy útil.

Acoplamientos de Boson de Vector
El acoplamiento de Higgs a W y Z son los sellos distintivos del mecanismo de Higgs y lo que finalmente nos dice que el bosón de Higgs es la fuente de ruptura de la simetría de electroválvula. Ninguna otra partícula puede acoplarse como el bosón de Higgs a los bosones vectoriales.

Acoplamientos Fermion
El acoplamiento de Higgs a los fermiones es muy importante para la estructura de calibre del modelo estándar y, debido a las mediciones de precisión en LEP, la medición de estos acoplamientos es similar a la medición de los acoplamientos de bosones vectoriales. Hay muchas partículas que pueden acoplarse como el bosón de Higgs a los fermiones, por lo tanto, es un poco más ambiguo que el acoplamiento a los bosones vectoriales.

Acoplamientos Boson Gauge
Los acoplamientos del bosón de Higgs a fotones y gluones no surgen a nivel de árbol en el Modelo Estándar y proceden a través de los efectos cuánticos de un bucle y muchas partículas pueden contribuir a este proceso, por lo que mientras el Modelo Estándar hace una predicción, es fácil alterado significativamente. Además, muchas partículas hipotéticas se acoplan de manera idéntica al bosón de Higgs a los fotones y gluones, por lo tanto, solo al medir estos acoplamientos no se descubrirá el bosón de Higgs.

Medición de estos acoplamientos:
Ahora podemos cortar y pegar estos acoplamientos para crear procesos que el LHC pueda ver. Hay dos canales de descubrimiento temprano:

[matemáticas] gg \ rightarrow h ^ 0 \ rightarrow \ gamma \ gamma [/ math] [3]
[matemática] gg \ rightarrow h ^ 0 \ rightarrow ZZ [/ math] [4]

Ahora puede ver que el primero de estos canales solo usa los acoplamientos para gluones y fotones y, por lo tanto, puede ser falsificado (con bastante facilidad) por nuevas partículas alternativas. El segundo de estos canales utiliza el acoplamiento HIggs a ZZ y, por lo tanto, es una prueba crítica del mecanismo de Higgs.

Ahora, como describí, este acoplamiento del bosón de Higgs a los gluones no es una predicción precisa del mecanismo de Higgs, por lo tanto, la tasa general de Higgs a ZZ podría alterarse (hacia arriba o hacia abajo) y seguir siendo el mecanismo de Higgs.

Además, si hay partículas sin descubrir en las que el Higgs podría descomponerse, esto diluiría la tasa del Modelo Estándar.

La concordancia del canal Diphoton y el canal Golden (ZZ a 4 leptones) es evidencia de la implementación del modelo estándar del mecanismo de Higgs. Pero en última instancia, debemos probar el acoplamiento a fermiones directamente y medir otros modos de producción distintos de la fusión de gluones [2] para medir realmente todos los parámetros.

Resultado final para diciembre de 2011:
Lo que hemos visto hasta ahora, es que las diferentes tasas para los procesos anteriores parecen estar en gran acuerdo con el Modelo Estándar y la observación tentativa de los HIggs a ZZ aumenta la credibilidad de que es el bosón de Higgs en lugar de algún otro tipo de partícula . Sin embargo, la correlación cuantitativa de todos los diferentes canales es el siguiente paso y tendremos resultados mucho mejores en la conferencia Moriond a principios de marzo (aún utilizando el conjunto de datos de 2011). A finales de 2012 tendremos un descubrimiento definitivo de Higgs con múltiples verificaciones cruzadas.

Notas al pie :
[1] Para ver la publicación completa, consulte: Desglose de la presentación de Higgs, para una forma más digerible, consulte: Desglose del anuncio de Post Higgs (en partes)
[2] La producción asociada de Higgs es otro canal:
[matemáticas] q \ bar {q} \ flecha derecha W \ flecha derecha W h ^ 0 [/ matemáticas]
como es Vector Boson Fusion
[matemáticas] qq \ flecha derecha q W ^ + W ^ – q \ flecha derecha qhq [/ matemáticas]
[3] Para ver los 5 resultados de femtobarn inversos de este canal, consulte la Parte 2.) El canal Diphoton
[4] Para un vistazo a los 5 resultados de femtobarn inversos de este canal, vea la Parte 3.) El Canal Dorado

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Hay varios canales de desintegración de Higgs ([matemática] H \ a \ gamma \ gamma [/ matemática], [matemática] H \ a bb [/ matemática], [matemática] H \ a \ tau \ tau [/ matemática], [ matemática] H \ a gg [/ matemática], [matemática] H \ a WW [/ matemática], [matemática] H \ a ZZ [/ matemática], etc.) El modelo estándar predice las tasas y las relaciones de ramificación (cómo a menudo los procesos ocurren uno con respecto al otro) con mucha precisión. Un exceso de eventos que se observa en muchos canales independientes puede probarse para determinar la coherencia con el modelo estándar observando estas tasas y relaciones de ramificación. A continuación se muestra un gráfico (tomado de http://www.hep.lu.se/atlas/thesi …) que muestra las relaciones de ramificación en función de la masa de higgs:

Advertencia: no soy un físico de partículas; Lee sus respuestas.

Michael Betancourt

tl; dr Sabremos cuándo es poco probable que varios “baches” en los datos se deban a variaciones estadísticas en el fondo.

Primero déjenme explicar cómo el “descubrimiento” es tratado canónicamente en la física de partículas. Profundamente arraigada en las estadísticas frecuentistas, la física ortodoxa puede probar nuevas teorías solo en los estrechos límites de las pruebas de hipótesis. Aquí no se juzga la validez de la nueva teoría, sino más bien el fracaso de la vieja teoría al preguntar cuán improbable es una observación dentro del ámbito de la vieja teoría (conocida como la hipótesis nula en estadística). Por ejemplo, cuando se “descubre” un nuevo modelo con un 95% de significado, lo que realmente se quiere decir es “si pudiéramos repetir la medición 100 veces, en solo 5 de esas repeticiones el modelo antiguo habría producido datos consistentes con nuestra observación y eso es solo es muy poco probable que sigamos apoyando el viejo modelo “.

Para complicar aún más las cosas, los físicos no citan probabilidades explícitas en tales afirmaciones. En su lugar, uno escucha tantos [math] \ sigma [/ math] – estos se refieren a las integrales de la distribución gaussiana estándar [1]. Una [matemática] \ sigma [/ matemática] es la integral de un gaussiano centrado de menos [matemática] \ sigma [/ matemática] a más [matemática] \ sigma [/ matemática], o ~ 67%: dos [matemática] \ sigma [/ math] es ~ 95%, tres [math] \ sigma [/ math] ~ 99%, y así sucesivamente. El “descubrimiento” en física se establece arbitrariamente en 5 [matemáticas] \ sigma [/ matemáticas], una significación ridículamente alta desde una perspectiva estadística [2].

En el caso del bosón de Higgs, primero se busca en regiones del espacio de fases donde un modelo con un Higgs produciría una señal diferente que un modelo sin uno. Luego se prueba el modelo de Higgs-less y si alguna anomalía es demasiado grande para ser explicada por fluctuaciones estadísticas, el modelo anterior se rechaza a favor del modelo de Higgs [3].

Una vez que se ha “descubierto” un modelo de Higgs, las búsquedas se convierten en una cuestión de inferir los parámetros de ese modelo, como la masa, la carga y el giro del bosón de Higgs y sus acoplamientos a partículas conocidas.

Por último, me gustaría señalar que existe otro enfoque para el descubrimiento desde la perspectiva bayesiana. Aquí uno puede comparar los modelos nuevos y antiguos y preguntar formalmente “cuál de los dos modelos es más consistente con los datos”. Este enfoque incluso admite un procedimiento sistemático para incorporar errores de modelo. Desafortunadamente, esta filosofía es rara en la comunidad de física de partículas: después de todo, es difícil cambiar la ortodoxia establecida.

[1] Es física, todo es siempre gaussiano, ¿verdad?

[2] Esto es en gran parte una consecuencia de malas aproximaciones en física. Si las suposiciones en el modelo son incorrectas o si la sistemática, que no puede incorporarse a la prueba de hipótesis de manera significativa, es grande, entonces la importancia está sesgada. Los físicos han seguido aumentando el umbral de descubrimiento para evitar que estos efectos conduzcan a demasiados descubrimientos falsos. La consecuencia es que, si bien los nuevos modelos correctos se confirmarán eventualmente, el rechazo del modelo actual requerirá mucha más información de la que de otra manera sería necesaria.

[3] En la física de partículas moderna, la importancia se determina a través de las réplicas de Monte Carlo, un proceso mucho más robusto para modelar suposiciones y errores sistemáticos a expensas de enormes recursos computacionales.

Michael Betancourt

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