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

NOTA: Recomiendo leer primero la respuesta de Noldorin , para obtener información útil, y luego la respuesta de Matt si desea obtener más detalles.

Noldorin tiene razón en que no hay un solo evento que puedas 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 una vida extremadamente corta, ¡tan corta que ni siquiera podrá salir del espacio vacío dentro del detector! Incluso a la velocidad de la luz, solo puede viajar una distancia microscópica antes de descomponerse en otras partículas. (Si puedo encontrar algunas predicciones numéricas, editaré esa información). Por lo tanto, no podremos detectar un bosón de Higgs directamente .

Lo que los científicos buscarán son patrones particulares de partículas conocidas que sean firmas de la descomposición de Higgs. Por ejemplo, el modelo estándar predice que un bosón de Higgs podría desintegrarse en dos bosones Z, que a su vez se descomponen en un muón y un antimuón cada uno. Entonces, 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 haya un bosón de Higgs. Este es solo un ejemplo, por supuesto; hay muchos otros conjuntos de partículas en las que el Higgs podría decaer, y los grandes detectores del LHC están diseñados para buscarlos a todos.

Por supuesto, la desintegración de Higgs no es lo único que podría producir dos pares de muón-antimuón, y lo mismo ocurre con otros posibles productos de desintegración. Entonces, solo ver los productos de descomposición esperados no es una señal segura de una detección de Higgs. La evidencia real vendrá de los resultados de muchas colisiones (miles de millones o billones), acumuladas a lo largo del tiempo.

Para cada conjunto posible de productos de desintegración, 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 Higgs es real, verás 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 solo 91 GeV):

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

De todos modos, para resumir: la firma principal del bosón de Higgs, como otras partículas inestables, será este pico de resonancia que aparece en un gráfico producido al agregar datos de muchos miles de millones o billones de colisiones. Con suerte, esto aclara un poco por qué habrá una gran cantidad de análisis detallados involucrados antes de que obtengamos una detección clara o no detección de la partícula de Higgs.

La respuesta de David Zaslavsky va en su mayor parte hacia la respuesta a la pregunta "¿qué se necesita para reclamar el descubrimiento de una nueva partícula?", pero para reclamar el descubrimiento de labosón de Higgs, se necesita mucho más. La primera señal de que la partícula es realmente el Higgs predicho serán los modos de decaimiento en los que aparece. 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 solo si es lo suficientemente pesado. Si es más ligero, se descompondrá 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 se desintegraría raramente a dos fotones, pero esta es una señal lo suficientemente distintiva como para que sea relativamente fácil de estudiar. La tasa y el tipo de eventos que se ven se compararían con las predicciones del modelo estándar para la masa observada. Por ejemplo, si aparece una señal que involucra 4 muones, pero con una masa de solo 100 GeV, sabríamos que no estamos viendo el Higgs, sino algo más extraño y no previsto. O si se descubriera que una partícula de 160 GeV decae con frecuencia en dos fotones, sabríamos que no es el bosón de Higgs, que con esa masa decaería principalmente en un par de bosones Z o W. Por lo tanto, hay una serie de comprobaciones de coherencia entre los modos de masa y de descomposición. Aún así, 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 giro se puede probar observando la separación angular entre los productos de descomposición. El Higgs también interactúa con partículas conocidas de formas muy específicas; se realizarían tantas pruebas de esto como sea posible. Incluso si la partícula no es el modelo estándar de Higgs, aún podría ser un tipo de bosón de Higgs en una teoría extendida, como el modelo estándar supersimétrico. El camino del descubrimientoalguna partícula nueva para tener una explicación teórica completamente convincente de lo que es la partícula podría ser potencialmente larga, e incluso podría involucrar a otros colisionadores en el futuro (como el Colisionador Lineal Internacional propuesto).

Por ahora, por supuesto, todos esperamos que se descubra algo ; una vez que esto suceda, el trabajo de determinar con precisión lo que significa el descubrimiento será emocionante y continuará durante años.

No soy un físico de partículas, pero aquí hay una pequeña descripción general de lo que entiendo.

Las partículas en colisión, en particular los hadrones (compuestos por tres quarks y un campo de gluones), son bastante capaces de generar colisiones muy "desordenadas", sobre todo a energías más altas. Por "desordenado" 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 tienen resultados mucho más altos que otros, y las probabilidades de los mismos se pueden estimar 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 desintegraciones adicionales, y así sucesivamente.

Verificar que una partícula (aquí el bosón de Higgs) es realmente lo que predice la teoría requiere muchas ejecuciones del experimento, y en gran medida es solo un complejo juego de probabilidad. Dado que las propiedades del Higgs no se conocen exactamente, lo que buscan los físicos de partículas son signos de una partícula faltante . es decir, una violación de alguna ley de conservación en la colisión (típicamente energía o cantidad de movimiento). Esta es una buena pista de que hay una partícula desconocida que no se ha tenido en cuenta. (Por ejemplo, los neutrinos interactúan demasiado débilmente para ser detectados directamente, y se descubrieron por primera vez al notar que faltaba una pequeña energía).

Por el momento, todo lo que realmente sabemos a partir de datos experimentales anteriores es que el límite inferior para la masa del bosón de Higgs es 115 GeV/c², bastante alto, pero teóricamente dentro del rango del LHC. Esto nos ayuda un poco a saber dónde buscar, pero al final del día, ¡es la colisión de protones una y otra vez lo que te da el descubrimiento final!

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

Los errores del detector deben ser evidentes, las diferentes precisiones y métodos de recopilación de información pueden introducir una "señal" inesperada.

Los errores de cálculo y metodología son más insidiosos y se basan principalmente en la observación sociológica de que grandes grupos de personas, incluso si son físicos, pueden despegar en la dirección equivocada con suficiente entusiasmo (mentalidad de rebaño/manada). La historia ha registrado las corrientes neutrales alternas, por ejemplo, "ahora las ves, ahora no las ves", porque nombres tan pesados ​​estaban detrás de los "descubrimientos".

Por lo tanto, al menos dos confirmaciones independientes son absolutamente necesarias.