El Tevatron estrecha el cerco al bosón de Higgs con técnicas diferentes a las del LHC

Los experimentos del acelerador de partículas estadounidense Tevatron, cerrado en septiembre de 2011, muestran sus resultados más recientes en la búsqueda de la partícula que originaría la masa del resto de partículas fundamentales: el bosón de Higgs. La investigación, en la que han participado diveras instituciones españolas (Instituto de Física de Cantabria, Universidad de Oviedo, Instituto de Física de Altas Energías de Barcelona y el CIEMAT) se han presentado hoy en la conferencia anual de Moriond, en Italia.

Las nuevas medidas las han anunciado los científicos de las colaboraciones CDF y DZero del Laboratorio Fermilab, del Departamento de Energía de Estados Unidos, e indican que el esquivo bosón de Higgs puede estar casi acorralado. Después de analizar los datos completos del acelerador Tevatron, ambos experimentos ven indicios independientes de la existencia del bosón de Higgs. Los físicos de las colaboraciones CDF y DZero han encontrado excesos en sus datos que pueden ser interpretadas como procedentes de un bosón de Higgs con una masa en la región de 115 a 135 GeV (gigaelectronvoltios, más de 100 veces la masa del protón). El nuevo resultado tiene una probabilidad de ser debido a una fluctuación estadística al nivel de significación conocido entre los científicos como 2,2 sigmas.

Este resultado se asienta bien dentro de los límites establecidos por las mediciones anteriores realizadas por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), el Tevatron, y otros aceleradores, que ponen la masa del bosón de Higgs en el rango de 115 a 127 GeV. Estos hallazgos también son consistentes con el anuncio de diciembre de 2011 de los excesos observados en ese rango por los experimentos ATLAS y CMS del LHC. Sin embargo, ninguna de las señales anunciadas hasta la fecha son lo suficientemente fuertes para reclamar la evidencia del descubrimiento del bosón de Higgs.

Este nuevo resultado de Tevatron también excluye la posibilidad de que el bosón de Higgs tenga una masa en el rango de 147 a 179 GeV. Los físicos afirman que hay evidencia de una nueva partícula sólo si la probabilidad de que los datos pudieran ser debido a una fluctuación estadística es menor que 1 en 740, o tres sigmas. Un descubrimiento se confirma sólo si esa probabilidad es menor que 1 en cada 3,5 millones, o cinco sigmas.

Los físicos de los experimentos CDF y DZero han realizado este anuncio en la conferencia anual sobre las interacciones electrodébil y teorías unificadas conocida como Encuentros de Moriond, que se celebra esta semana en Italia. Este nuevo análisis utiliza 10 femtobarns inversos de datos de CDF y DZero, el conjunto completo de datos recogidos en 10 años del programa de investigación del Tevatron, lo que supone cerca de 500 billonesde colisiones protón-antiprotón. El acelerador dejó de funcionar en septiembre de 2011.

Una contribución 'preciosa'

"Estoy entusiasmado con el ritmo de los avances en la búsqueda del bosón de Higgs. Científicos de todo el mundo de las colaboraciones CDF y DZero han sorteado todos los obstáculos para llegar a esta contribución tan preciosa e importante en la búsqueda del bosón de Higgs", dijo el director de Fermilab, Pier Oddone.

Los bosones de Higgs, si es que existen, son de corta duración y pueden desintegrarse de muchas maneras diferentes. Así como una máquina expendedora puede devolver la misma cantidad de cambio usando diferentes combinaciones de monedas, el bosón de Higgs puede decaer en diferentes combinaciones de partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs se basa en la observación de excesos estadísticamente significativos de las partículas en las que se desintegra en lugar de observar el propio Higgs.

Sólo los colisionadores de partículas de alta energía como el Tevatron y el LHC pueden recrear las condiciones energéticas que existían en el universo poco después del Big Bang. De acuerdo con el modelo estándar, la teoría que explica y predice cómo las partículas fundamentales de la naturaleza se comportan e interactúan entre sí, el bosón de Higgs da masa a otras partículas.

Los experimentos del Tevatron y el LHC ofrecen una estrategia de búsqueda complementaria para el bosón de Higgs. Debido a que los dos aceleradores hacen colisionar diferentes pares de partículas y a energías diferentes, produciendo diferentes tipos de fondos, las estrategias de búsqueda son diferentes. En el Tevatron, por ejemplo, el método más poderoso es la búsqueda de un bosón de Higgs que se desintegra en un par de quarks “bottom”, si la masa del bosón de Higgs es de aproximadamente 115 a 130 GeV. Es fundamental observar el bosón de Higgs en diversos tipos de canales de desintegración para confirmar o descartar su existencia.

“Es un resultado magnífico y complementa de forma perfecta los resultados del LHC” indicó Alberto Ruiz Jimeno, jefe del Grupo de Altas Energías del Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto CSIC-Universidad de Cantabria). “El LHC ha observado indicios de existencia del bosón de Higgs en su desintegración a dos fotones, mientras en el Tevatron los indicios están en su modo de desintegración más probable, a un par de quarks b-antib. Si no se hubiera obtenido una señal en esta canal, el Modelo Estándar estaría herido pero, una vez más, se manifiesta con fuerza extraordinaria”.

Para Alberto Ruiz, “va a resultar interesante y difícil buscar la brecha en esta teoría que, por otros argumentos cosmológicos y teóricos, sabemos que no puede ser el punto final de la Física. En todo caso, si confirmamos la existencia del bosón de Higgs en torno a 125 GeV, aún tendremos que mostrar si se trata o no del Higgs tal y como lo predice el Modelo Estándar o por el contrario de un Higgs supersimétrico".

Un canal sensible

El Instituto de Física de Cantabria y la Universidad de Oviedo han liderado un análisis en el canal de producción del bosón de Higgs asociado al bosón W, decayendo en un par de quarks bottom-antibottom. Este canal es el más sensible para una masa del bosón de Higgs en la zona en la que se ha observado el exceso de datos. Jesús Vizán ha liderado el análisis, continuación de los realizados por Bárbara Álvarez y Bruno Casal, que hicieron sus tesis doctorales en este campo dirigidos por Javier Cuevas, Rocío Vilar y Alberto Ruiz, investigadores todos ellos del IFCA y la Universidad de Oviedo (Unidad asociada del CSIC al IFCA).

“Con este resultado el Tevatron demuestra una vez más su tremendo potencial, aportando una pieza clave para la resolución de este puzle sobre el origen de la masa de las partículas” afirmó Aurelio Juste, profesor de investigación ICREA en el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona. Previamente coordinador de Física del experimento DZero en Fermilab, desde hace tres años Juste lidera el grupo de trabajo sobre la búsqueda del bosón de Higgs en DZero.

Según Aurelio Juste, “aunque los indicios en el Tevatron son muy sugerentes, en particular puestos en perspectiva dados los resultados del LHC, aún no constituyen una evidencia firme. Estamos empezando a trabajar en la combinación de resultados del Tevatron y del LHC, que se espera en un futuro próximo. En cuestión de meses podemos llegar a obtener respuesta a una de las preguntas más urgentes de la Física de Partículas en los últimos 30 años. Y lo que es más excitante, con ello generar nuevas preguntas”, concluye.

La participación española en Tevatron se concentra en el experimento CDF, un detector donde participan 430 científicos de 58 instituciones de 15 países. Además del IFCA, la Universidad de Oviedo y el IFAE, en CDF participan científicos del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), responsables de uno de los detectores más complejos de CDF, el detector de silicio, participando tanto en la operación como en la monitorización y análisis de datos de esta pieza fundamental para la búsqueda del bosón de Higgs de baja masa y de la asimetría materia-antimateria.

Estos tres centros de investigación forman parte del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010 cuyos principales objetivos son la promoción y coordinación científica de la participación española en proyectos internacionales, el desarrollo de actividades comunes de I+D y la formación e incorporación a los grupos de nuevos investigadores y técnicos. El CPAN pretende consolidar estas actuaciones mediante la constitución de un centro en red de carácter permanente, análogo a los existentes en otros países de nuestro entorno.