Se refuerza la señal del Higgs observada en ATLAS y CMS del LHC en el CERN

Hoy se han hecho público los artículos técnicos de ATLAS y CMS para la búsqueda del Higgs en el LHC con los datos de 2011 (que fueron presentados de forma preliminar en una rueda de prensa en diciembre). La señal de un Higgs a 125 GeV se refuerza en CMS, pasando de 2,5 σ a 3,1 σ y en ATLAS, alcanzando 4,3 σ. Esta confianza estadística local apunta a que hay una probabilidad del 99,996% de que el Higgs exista y tenga dicha masa. Aún así, todavía es pronto para asegurar algo con rotundidad y habrá que esperar a marzo, como pronto, cuando se publique el resultado combinado ATLAS+CMS; todo apunta a un nuevo refuerzo de la señal. Si el LHC logra recabar 5 /fb de datos de colisiones en 2012 para principios de junio y dichos datos refuerzan aún más la señal observada hasta ahora, a finales de este verano podríamos estar ante la noticia del descubrimiento del Higgs. Aún así, todavía es pronto para cantar victoria. Los artículos técnicos con ATLAS Collaboration, “Combined search for the Standard Model Higgs boson using up to 4.9 fb−1 of pp collision data at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector at the LHC,” CERN-PH-EP-2012-019, 07 Feb. 2012 [PDF], y CMS Collaboration, “Combined results of searches for the standard model Higgs boson in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” CMS-HIG-11-032-004, 07 Feb. 2012 [PDF]. Me he enterado gracias a Geoffrey Brumfiel, “Higgs signal gains strength,” Nature News Blog, 07 Feb 2012. También puedes la noticia en “Update: Higgs search papers submitted for publication,” ATLAS News, 7 February 2012, y “CMS Higgs boson search results from 2010-2011 data samples,” CMS News, 7 February 2012.

El nuevo resultado combinado de ATLAS (cuya figura más interesante abre esta entrada) utiliza, según el canal, entre 1,04 /fb y 4,9 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. La interpretación de los datos requiere considerar una hipótesis. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs no existe, el análisis de ATLAS reafirma esta hipótesis al 95% de nivel de confianza (CL) en el intervalo de masas entre 124 y 519 GeV. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs existe, el análisis de ATLAS descarta con una confianza del 95% que tenga una masa entre 112,9 y 115,5 GeV (mejorando el resultado de LEP2 que indicaba que el Higgs tenía una masa superior a 114,4 GeV), entre 131 y 238 GeV y entre 251 y 466 GeV; en la práctica este resultado indica que si existe el bosón tiene una masa entre 115,5 y 131 GeV. El valor más probable para la masa del Higgs es de unos 126 GeV con una significación local de 3,5 desviaciones estándares (σ). Como el intervalo de masas estudiado es muy grande, entre 110 y 600 GeV, la probabilidad que una fluctuación sea responsable del exceso observado es muy alta, reduciendo la significación estadística global a solo 2,2 σ (hay una probabilidad de ∼ 1,4 % de que el resultado observado por ATLAS sea una fluctuación estadística).

El nuevo resultado combinado de CMS utiliza, según el canal, entre 4,6 /fb y 4,8 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. CMS ha estudiado más canales de desintegración del Higgs que ATLAS por lo que su sensibilidad es mucho mayor; con los datos estudiados, CMS se espera que excluyera al bosón de Higgs, si no existe, entre 118 y 543 GeV con una confianza del 95% CL. El resultado observado solo excluye el Higgs en el intervalo de masas entre 127 y 600 GeV al 95% CL y en el intervalo entre 129 y 525 GeV al 99% CL. Se observa un exceso de eventos de baja masa que es responsable de que no se haya podido excluir el intervalo entre 118 y 127 GeV. El exceso mayor se observa para una masa de 124 GeV, con una significación local mayor de 3,1 σ, pero solo de 1,5 σ en el intervalo entre 110 y 600 GeV; por supuesto, los tests de precisión del modelo estándar apuntan a una masa para el Higgs menor de 145 GeV, por lo que considerar un intervalo tan grande es poco realista; la significación estadística global en el intervalo entre 110 y 145 GeV se estima en unos 2,1 σ.

Combinando los intervalos de exclusión de CMS y ATLAS se observa que el Higgs (si existe, una coletilla que hay que poner aunque resulte pesado) tiene que tener una masa entre 118 y 127 GeV con una confianza estadística de al menos el 95% CL. El exceso alrededor de 124-126 GeV tiene que ser confirmado con el análisis de más datos. Por un lado, la combinación oficial de los datos de CMS y ATLAS que se publicará en marzo debería reforzar aún más esta señal. Los datos finales del Tevatrón, que deberían publicarse como muy tarde antes del verano, también deberían reforzar esta señal. Pero todavía es pronto, para poder afirmar con rotundidad que el bosón de Higgs habrá que esperar al análisis de al menos 5 /fb de datos de colisiones en 2012 tanto para CMS como para ATLAS. Ahora mismo se está discutiendo el futuro del LHC durante 2012. Uno de los objetivos clave será obtener al menos 5 /fb para principios de junio de 2012, con lo que a finales de agosto se podría publicar su análisis, que debería confirmar (o refutar) de forma definitiva la existencia de un Higgs con 125 GeV. Este año promete ser apasionante para el Higgs.

La agenda para el LHC en 2012 se está debatiendo en Chamonix 2012, el “LHC Performance Workshop.” La decisión final aún no está tomada. No se sabe si las colisiones serán a 7 TeV o a 8 TeV, siendo la diferencia más importante que la energía máxima almacenada en la máquina será de 124 MJ o de 142 MJ (megajulios); los responsables de la máquina creen que es seguro este incremento de energía (por ejemplo en esta charla), pero la decisión no debe ser tomada a la ligera y depende de los resultados de los análisis de las soldaduras defectuosas (que fueron críticas en el accidente de 2009 y que serán reparadas en 2013). La charla en Chamonix sobre estas soldaduras es esperanzadora y afirma con rotundidad que las colisiones a 8 TeV serán seguras si no se prolongan más allá de 8 meses (solo son un poco más inseguras que a 7 TeV).

Otra cuestión importante es si se lanzarán los paquetes de protones cada 50 ns o cada 25 ns, aunque parece claro que si se trabaja a 8 TeV se utilizará la opción de 50 ns; de hecho varias charlas en Chamonix se oponen a la opción de trabajar a 25 ns (por ejemplo ésta). Para el año 2012 parece razonable esperar que se acumulen unos 15 /fb de colisiones (que si hay suerte y todo funciona a las mil maravillas como en 2011 podrían llegar a 20 /fb). Con 15 /fb de colisiones se podrá excluir un Higgs a 5 sigma en todo el rango de masas entre 115 y 600 GeV, y caso de que se confirmara la señal de un Higgs de unos 125 GeV se podrían empezar a estudiar sus propiedades con objeto de determinar si corresponden al bosón de Higgs del modelo estándar o a alguno de sus primos.

PS: Más información en “Los últimos análisis de ATLAS y CMS sobre la búsqueda del Higgs en el LHC, listos para su publicación,” CPAN Ingenio, 7 febrero 2012.

Artículo original publicado aquí.