El descubrimiento del bosón de Higgs II

Qué pasos se han seguido para llegar a las conclusiones presentadas el 4 de Julio? De manera esquemática, la manera de razonar ha sido la siguiente: si en algunas de las colisiones entre protones que se llevan a cabo en el LHC se produce una nueva partícula con características semejantes al bosón de Higgs, esta se desintegrará, casi instantáneamente, de formas diversas. Esas diferentes posibilidades se denominan canales de desintegración. Uno de los canales que deja una señal más clara en los detectores (aunque no el caso más frecuente) es la desintegración en dos fotones. Los físicos de CMS y ATLAS han analizaado todos los choques protón-protón en los que se han producido dos fotones energéticos y bien diferenciados.

El siguiente paso consiste en medir la energía y direccionalidad de cada par de fotones. Con esos datos puede obtenerse su “masa invariante”; es decir, la energía de los fotones según la mediría un observador imaginario que viajara montado en el centro de masas del sistema formado por los dos fotones. Si estos provienen de la desintegración de una partícula de masa M, entonces su masa invariante ha de coincidir con M. Sin embargo, hay una gran cantidad de colisiones entre protones en las que, sin necesidad de que se produzca ningún bosón de Higgs ni nada parecido, también se generan dos fotones. Por tanto, existe un ingente ruido de fondo sobre el que deben aislarse los pocos sucesos genuinos debidos a la desintegración de una nueva partícula. A tal fin, se presentan en una gráfica todos los sucesos en los que se han producido dos fotones para cada valor posible de la masa invariante M. Si sólo existiese la señal de fondo, la gráfica mostraría un perfil suave, ya que no habría ningún valor de M privilegiado. Pero, si algunos fotones se han originado en la desintegración de una partícula de masa M, esperamos ver un exceso de sucesos en torno a dicho valor de M. Y eso es exactamente lo que se observa, un pico muy claro cuando la masa invariante del par de fotones ronda los 125GeV.

Por sí solo, el resultado anterior no bastaría para proclamar un descubrimiento. Sin embargo, si la partícula realmente existe, en otras ocasiones se desintegrará mediante otros canales, por lo que en todos ellos deberíamos observar un exceso de sucesos en torno a la misma masa. De todos los canales adicionales, el más interesante corresponde a la desintegración en 4 leptones: por ejemplo, en un par electrón-positrón más un par muón-antimuón. El análisis de este canal vuelve a mostrar un pico para el mismo valor citado anteriormente. Dicho resultado refuerza el anterior hasta el punto de que eleva la confianza estadística hasta el nivel de “descubrimiento”. Ello quiere decir que la probabilidad de que no haya ninguna partícula nueva y que, aun así, se observen tales picos en el lugar en el que aparecen resulta irrisoria: inferior a uno entre un millón. Además, contamos con dos experimentos independientes, ATLAS y CMS, los cuales operan con dos tecnologías distintas. Ambos han detectado excesos similares en torno al mismo valor de la masa invariante, lo cual aumenta aún más la confianza estadística de cada resultado por separado. Parece claro que nos hallamos ante un verdadero descubrimiento.


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