ATLAS podría haber observado el bosón de Higgs a 4 sigma

Un nuevo artículo en proceso de revisión interna dentro de la colaboración ATLAS del LHC del CERN afirma haber observado, con una significación de 4 sigma, una resonancia con una masa de 115 GeV/c² en el espectro de dos fotones utilizado en la búsqueda del bosón de Higgs. No puede ser el bosón de Higgs del modelo estándar, pues los 63’5 /pb de colisiones protón-protón estudiados no son suficientes para observarlo con una significación de 4 sigma. Por tanto, si se ha observado el bosón de Higgs, debe haber algún mecanismo desconocido que amplifique en un factor de 30 su probabilidad de desintegración en dos fotones, lo que sería una señal de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Si no se ha observado el bosón de Higgs, entonces se ha observado una nueva partícula elemental neutra que se desintegra en dos fotones, lo que también sería una señal de nueva física más allá del modelo estándar. El artículo está ahora mismo en proceso de revisión interna y sólo tienen acceso a su contenido los miembros de la colaboración ATLAS, quienes por razones obvias no pueden revelar los detalles. Más aún, dada la importancia del descubrimiento, se podría tomar la decisión de esperar a analizar más datos de colisiones que confirmen la señal observada o la desmientan. Esta semana el LHC está en modo colisiones y ayer 21 de abril se alcanzó un nuevo récord de luminosidad instantánea con 480 paquetes de protones espaciados por 50 ns; gracias a este récord se pudieron obtener 6’7 /pb de colisiones en sólo 7:30 horas.

El artículo técnico en cuestión es Y. Fang, L. R. Flores Castillo, H. Wang, S. L. Wu (Universidad de Wisconsin-Madison), “Observation of a γγ resonance at a mass in the vicinity of 115 GeV/c² at ATLAS and its Higgs interpretation,” Report number ATL-COM-PHYS-2011-415, 21 April 2011. El abstract/resumen del artículo (en su versión provisional) es el siguiente:

“Motivated by the result of the Higgs boson candidates at LEP with a mass of about 115 GeV/c², the observation given in ATLAS note ATL-COM-PHYS-2010-935 (November 18, 2010) and the publication “Production of isolated Higgs particle at the Large Hadron Collider” (Physics Letters B 683 2010 354-357), we studied the γγ invariant mass distribution over the range of 80 to 150 GeV/c². With 37.5 /pb data from 2010 and 26.0 /pb from 2011, we observe a γγ resonance around 115 GeV/c² with a significance of 4σ. The event rate for this resonance is about thirty times larger than the expectation from Higgs to γγ in the standard model. This channel H→γγ is of great importance because the presence of new heavy particles can enhance strongly both the Higgs production cross section and the decay branching ratio. This large enhancement over the standard model rate implies that the present result is the first definitive observation of physics beyond the standard model. Exciting new physics, including new particles, may be expected to be found in the very near future.”

Para los que prefieran leerlo en español:

Miembros de la colaboración ATLAS de la Universidad de Wisconsin-Madison “motivados por los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs en LEP que apuntaban a una masa cercana a 115 GeV/c², por las observaciones presentadas en la nota interna de ATLAS numerada ATL-COM-PHYS-2010-935 (enviada el 28 de noviembre de 2010 para revisión interna y que no fue aceptada para su aparición pública) y por el artículo “Production of isolated Higgs particle at the Large Hadron Collider” publicado en Physics Letters B 683: 354-357 (2010), hemos estudiado la distribución de la masa invariante de pares de fotones (γγ) en el rango de masas de 80 a 150 GeV/c². Con 37’5 /pb (inversos de picobarn) de datos obtenidos en 2010 y 26’0 /pb obtenidos en 2011, hemos observado una resonancia γγ alrededor de 115 GeV/c² con una significación (estadística) de 4σ. El número de eventos observado es 30 veces mayor que lo esperado para la desintegración en dos fotones (γγ) del bosón de Higgs. El canal de desintegración H→γγ es de gran importancia (en la búsqueda del Higgs) porque la presencia de nuevas partículas pesadas puede incrementar mucho tanto la probabilidad de producción como probabilidad de desintegración en este canal para el bosón de Higgs. Este incremento respecto a lo esperado según el modelo estándar implica que el resultado obtenido es la primera prueba definitiva de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Esperamos que se encuentre en un futuro cercano nueva física, incluyendo nuevas partículas.”

El rumor ha aparecido en un comentario anónimo a la entrada de Peter Woit, “This Week’s Hype,” Not Even Wrong, April 18st, 2011. Varios comentarios de miembros de ATLAS afirman que han visto el artículo aunque no han podido ofrecer más detalles. Peter Woit le ha dedicado una entrada específica “This Week’s Rumor,” Not Even Wrong, April 21st, 2011.

¿Cuál es mi opinión sobre este rumor? Un rumor es un rumor, así que habrá que esperar por lo menos un mes para ver si el rumor se confirma y se convierte en un artículo público o todo ha sido una falsa alarma. Al ritmo al que se están estudiando las colisiones en el LHC el número de colisiones estudidadas hasta ahora (sumando los años 2010 y 2011) se duplicará en un par de semanas. Por tanto, dentro de un mes la señal observada será confirmada (o refutada) con el doble datos sin género de dudas. Con toda seguridad la colaboración ATLAS andará con pies de plomo en este asunto y si se confirma la señal se convocará una rueda de prensa para principios de junio con objeto de realizar el anuncio (sea el Higgs o una nueva partícula) a bombo y platillo. Un mes y medio es poco tiempo, así que os mantendré informados en la medida de mis posibilidades.

PS (22 abril 2011): Muchos blogs de física se han hecho eco del rumor.

Lubos Motl, “ATLAS memo: 4-sigma diphoton bump at LEP’s 115 GeV,” The Reference Frame, April 22, 2011, nos recuerda que la masa más probable para un Higgs si existe la supersimetría (una teoría CMSSM) es de 114±2 GeV/c² según el artículo de teórico de S. Cassel, D. M. Ghilencea, G. G. Ross, “Testing SUSY at the LHC: Electroweak and Dark matter fine tuning at two-loop order,” ArXiv, 22 Jan 2010.

Jester, “Higgs in ATLAS, maybe,” Résonaances, 22 April 2011, nos recuerda que en las teorías supersimétricas MSSM y NMSSM no dan cabida a un Higgs como el observado; además, nos recuerda la evidencia que observó ATLAS sólo con los datos de 2010 (evidencia que en este blog presentamos en “Primera búsqueda de un Higgs de baja masa en el experimento ATLAS del LHC en el CERN,” 14 marzo 2011, no sin cierta polémica porque yo puse en el título “evidencia” y lo tuve que cambiar por “búsqueda,” pero si se confirma el nuevo resultado…). Los diagramas de Feynman para la desintegración de un Higgs en dos fotones están dominados por los procesos que involucran dos o tres bosones W (la desintegración mediada por tres quarks top es mucho menos probable).



Hoy es posible que muchos medios se hagan eco del rumor. El proceso interno de revisión de los artículos/preprints en el LHC del CERN es muy rápido y también muy eficaz a la hora de detectar debilidades en un artículo (ya hablamos de ello en este blog en “Producción científica y revisión por pares a la velocidad de la luz,” 30 abril 2010). Máxime con un artículo que puede pasar a la historia. Me gustaría recordar a todos que en el canal difotónico para el Higgs ATLAS aventaja un poco a CMS, su gran competencia en el LHC, y muchísmo al Tevatrón del Fermilab. Como resultado la colaboración ATLAS puede permitirse el lujo de esperar al análisis de más datos en las próximas semanas para confirmar con mucha mayor significación el resultado. En mi opinión personal, así lo harán.

PS (22 abril 2011): Tommaso Dorigo (miembro de la colaboración CMS del LHC) nos cuenta en “Did Atlas Just See The Higgs ?,” A Quantum Diaries Survivor, April 22, 2011, sus dudas sobre si el Higgs ha sido o no observado por ATLAS. Según Tommaso, con toda la razón del mundo, si ATLAS ha observado el Higgs como afirma el nuevo artículo debería haber sido observado también en el Tevatrón, en sus dos experimentos DZero y CDF (Tommaso es miembro de la colaboración CDF). En cualquier caso, Tommaso no comenta nada en su entrada sobre la posibilidad de que se haya observado otra partícula diferente del Higgs que se desintegre en dos fotones. Mientras no se publiquen los detalles del artículo sólo podemos conjeturar qué tipo de análisis se ha realizado y qué significa el contenido del resumen del artículo (lo único que se ha filtrado fuera de la colaboración ATLAS sobre este asunto).

Philip Gibbs también se ha hecho eco de esta noticia en “New Particle Rumour,” viXra log, 22th April, 2011. Como ya he comentado en mi entrada, podría tratarse de una nueva partícula neutra y Philip sugiera que podría ser una partícula neutra compuesta. Habrá que esperar a las propuestas de los físicos teóricos al respecto.

PS (23 abril 2011): Recomiendo varios comentarios de “Also a real scientist @ ATLAS” en el blog de Peter Woit, Not Even Wrong, que inició el rumor. Nos recuerda lo que es una comunicación interna ATL-COM (ATLAS Communication o ATLAS-COM-*): una comunicación interna para ser visible entre todos los miembros de la colaboración que no cuenta ni con la aprobación ni con el veto de ATLAS; su objetivo es la comunicación de ideas y resultados (provisionales) entre los subgrupos que forman la colaboración (que cuenta con casi 3000 miembros). Muchos artículos de ATLAS nacen como ATL-COM, pero la mayoría de estas comunicaciones acaban en la papelera. Muchos doctorandos o posdoctorados jóvenes las utilizan para justificar o documentar su trabajo en la colaboración.

En el caso concreto que nos interesa, la comunicación proviene de cuatro miembros de la colaboración bajo la dirección de la Dra. Sau Lan Wu, investigadora de amplio prestigio que no ganará nada publicitando este resultado. Seguramente ninguno de los cuatro autores está de acuerdo con la publicidad que ha recibido su comunicación interna. El resultado de la comunicación depende más de las simulaciones de Montecarlo desarrolladas por los autores que de los datos de colisiones obtenidos por ATLAS y es bien sabido que para el problema estudiado en este caso dichas simulaciones están sujetas a gran incertidumbre. Por tanto, “Also a real scientist @ ATLAS” cree que este análisis no superará una verificación detalladas posterior. Así que todo apunta a una falsa alarma (como ya temía Tommaso Dorigo).

¿Quién puede haber sido el responsable de la fuga? Seguramente todos los miembros de ATLAS han accedido a este artículo (por la fama de Wu y por el interés que despierta el bosón de Higgs), así que puede ser cualquiera de los 3000. Según “Also a real scientist @ ATLAS” la colaboración no emprenderá una caza de brujas para encontrar al responsable de la fuga (entre otras cosas porque no tiene mucho sentido y será casi imposible llegar a descubrir quien ha sido).

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