Un bosón de Higgs, pero sin el barullo.

Los físicos de partículas del Large Hadron Collider (LHC) del CERN esperan descubrir el bosón de Higgs entre el barullo de partículas que se generen en las colisiones protón-protón. Los resultados que se publican en el número del 19 de junio de Physical Review Letters [1] muestran que hay una forma de eliminar parte de ese barullo. Un experimento en el colisionador protón-antiprotón Fermilab (Illinois, EE.UU.) ha identificado un proceso poco frecuente que produce materia a partir del intenso campo de la fuerza nuclear fuerte pero que deja intactos al protón y al antiprotón. Existe una posibilidad de que la misma interacción básica les permita a los físicos del LHC tener una visión más clara del Higgs.

Un protón siempre está rodeado por un enjambre fantasmal de fotones y gluones virtuales asociados con los campos electromagnético y de la fuerza nuclear fuerte. Los investigadores han predicho que cuando dos protones (o un protón y un antiprotón) pasan muy cerca el uno del otro, a menos de un diámetro de protón, estas nubes de partículas virtuales pueden interactuar ocasionalmente para crear nuevas partículas reales (no virtuales). Los protones originales perderían simplemente algo de momento y se separarían del haz de protones que recorre el colisionador. Una reacción tan “exquisita”, en la que las partículas originales no se destruyen, da datos inusualmente limpios porque hay muy pocas partículas que detectar.

En el nuevo experimento, los investigadores estaban buscando signos de que la interacción de gluones virtuales había generado partículas de vida corta, incluyendo los mesones Χ_c (pronúnciese ji-c) y J/ψ (jota-psi), que son pares encantado-antiencantado (un estado llamado charmonium, de charm, encanto en inglés, al que hace referencia el título del artículo publicado, ver abajo) que se desintegran en muones y antimuones. La reacción Χ_c sería especialmente poco frecuente porque exige que los protones donen dos gluones cada uno, un requisito que también hace que sea muy difícil hacer previsiones precisas.

En el 2007, los investigadores del Collider Detector at Fermilab [en la imagen] observaron pistas de reacciones “exquisitas” de gluones virtuales en forma de fotones de alta energía procedentes de colisiones protón-antiprotón. Ahora, el equipo ha cribado cerca de 500 pares muón-antimuón, identificando 65 que deben haberse originado por la desintegración de Χ_c (muy cerca de lo que predijo en 2005 un equipo de la Universidad de Durham, Reino Unido, [2]). Dado que Χ_c tiene características similares al mucho más pesado bosón de Higgs, cabe esperar que a las energías mucho más altas que se alcanzarán en el LHC el mismo tipo de reacción produzca el bosón de Higgs (suponiendo que exista, claro).

Basándose en la tasa de producción de Χ_c, se estima que las colisiones del LHC podrían producir entre 100 y 1000 bosones de Higgs al año en cada uno de los dos grandes detectores de partículas, ATLAS y CMS. Con una docena al año ya se puede medir la masa, el spin y otras propiedades del Higgs por lo que los equipos del ATLAS y el CMS están considerando añadir detectores para Higgs “exquisitos”.

Pero no todo el mundo es tan optimista. Hay quien dice, como Joseph Incandela, vicecoordinador de física del CMS, que, cuando el LHC esté a toda capacidad, cada cruce de los haces de protones producirá del orden de 20 colisiones, lanzando partículas que pueden ensuciar las reacciones “exquisitas”. Por otra parte, la supersimetría (una extensión del modelo estándar, la Biblia de la física de partículas) permite la existencia de múltiples bosones de Higgs y, en este caso, las reacciones “exquisitas” serían las únicas suficientemente limpias para distinguirlos.

Referencias:

[1]

Aaltonen, T., et al. (2009). Observation of Exclusive Charmonium Production and γγ→μ^{+}μ^{-} in pp[over ¯] Collisions at sqrt[s]=1.96  TeV Physical Review Letters, 102 (24) DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.242001

[2]

Khoze, V., Martin, A., Ryskin, M., & Stirling, W. (2005). Diffractive $\gamma \gamma$ production at hadron colliders The European Physical Journal C, 38 (4), 475-482 DOI: 10.1140/epjc/s2004-02059-0