boson de higgs

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Estudio del decaimiento del bosón de Higgs en el canal ZZ empleando el simulador PYTHIA. Nelly Yanira Bautista Sapuyes Propuesta de grado para optar el título de licenciada en física Director Carlos Arturo Ávila Bernal. Codirector Cesar Aurelio Herreño Fierro Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Estudio del decaimiento del bosón de Higgs en el canal ZZ empleando el

simulador PYTHIA.

Nelly Yanira Bautista Sapuyes

Propuesta de grado para optar el título de licenciada en física

Director

Carlos Arturo Ávila Bernal.

Codirector

Cesar Aurelio Herreño Fierro

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Ciencias y Educación

Bogotá D.C.

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Introducción

El mecanismo de Higgs, el cual provee una solución al origen de la masa de las

partículas conocidas, es planteado por Peter Higgs [1], quien propone un campo

que al interactuar con las partículas elementales las dota de masa, sin embargo,

para que ello ocurra, este campo debe tener un mediador asociado a esa

interacción. Este mediador es un cuanto de este campo denominado bosón de

Higgs. Cuando el Higgs da explicación al origen de la masa, de manera

simultánea explica la ruptura de la simetría espontánea [2], en la cual, mientras el

fotón ( ) no tiene masa, los bosones (W±,Z0) son muy masivos por la interacción

con el campo de Higgs.

La predicción teórica sobre el mecanismo de Higgs condujo a la investigación

experimental que ahora pretende comprobar la existencia del Higgs. Un gran

interés se centró en el LEP (Large Electron Positron Collider) [3], ya que, durante

su funcionamiento se recopilaron datos [4] a una energía de 104.5 GeV por haz de

electrones, y aunque no mostraron señales del Higgs, se estableció el mínimo

valor de masa al cual podría encontrarse el bosón de Higgs. Actualmente el

interés por la búsqueda experimental del bosón de Higgs se centra en los

aceleradores Tevatron [5] y LHC (Large Hadron Collider) [6]. En el Tevatron del

Fermilab los datos arrojados hasta el momento no han mostrado resultados

satisfactorios para la detección del Higgs a pesar de la energía alcanzada de 1

TeV por haz de protones. Pero con la entrada en funcionamiento del LHC, se

tiene un mayor rango de energías que podrían indicar si existe o no el Higgs,

puesto que cuenta con dos experimentos que pueden buscarlo con alta precisión

en el rango de masas donde debiera de existir: ATLAS [7] y CMS [8]. De esta

manera, el LHC pretende con los datos recopilados por los detectores ATLAS y

CMS, reconstruir los eventos de las colisiones a altas energías que lleven a

descubrir el Higgs.

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Para este trabajo, se realizará en PYTHIA 6.3, una simulación que reproduzca el

decaimiento en el canal ZZ, reduciendo background que pueda surgir a partir de la

colisión protón-protón para la obtención del Higgs del modelo estándar.

Planteamiento del problema

Realizar un estudio en el canal ZZ para determinar la factibilidad de descubrir el

bosón de Higgs, basados en la detección realizada por el experimento CMS.

Haremos una simulación de los procesos implicados para la producción y

decaimiento del bosón de Higgs utilizando como herramienta el simulador PYTHIA

6.3.

Justificación

Las limitaciones que presenta el modelo estándar no permiten entender algunos

de los fenómenos de la física de partículas, por esta razón se hace necesario

buscar una solución a estas restricciones planteando la existencia del bosón de

Higgs. No obstante, si el bosón de Higgs no es encontrado, las leyes

fundamentales de la física de partículas tendrían que plantearse de nuevo.

Este trabajo se orienta en uno de los canales más limpios (ZZ→H) donde es más

factible encontrar la señal del Higgs realizando una simulación en PYTHIA 6.3.

Con el simulador podemos estudiar qué filtros maximizan la señal de Higgs sobre

otros backgrounds en los rangos de energías estudiados por el experimento CMS

en el LHC.

Antecedentes

Previas investigaciones experimentales en la búsqueda del Higgs, han establecido

el valor mínimo de energía al cual podría encontrarse la masa del bosón de Higgs.

Este límite fue determinado por el LEP debido a que la energía máxima alcanzada

durante su funcionamiento no predijo la existencia del Higgs. En el Tevatron se

busca una señal del Higgs en un mayor rango de energía, sin embargo, las

energías alcanzadas no han sido suficientes para encontrar el Higgs. Se espera

que el LHC continúe con la búsqueda del Higgs hasta que logre operar al máximo

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de energía para el que fue construido y se pueda establecer la existencia o no del

mismo.

El LEP del CERN (European Organization for Nuclear Research) comenzó a

operar en agosto de 1989, colisionando electrones y positrones con energías por

haz para su primera fase de 45 GeV. Durante su funcionamiento se realizaron

mejoras que incrementaron la energía de colisión de centro de masa (por encima

de los 130GeV), lo que condujo a la producción de pares de bosones W± y Z0. El

LEP alcanzó su máxima energía de centro de masa de 209 GeV y aunque no

hubo señal del bosón de Higgs, se estableció el mínimo rango de masa para la

existencia del Higgs.

Otros experimentos que continúan con la búsqueda del bosón de Higgs, se

realizan en el Tevatron, donde se hacen colisionar un protón y un antiprotón con

una energía de centro de masa de 1.96 TeV, es decir, que cada haz lleva una

energía de 0.98 TeV. Estos experimentos son: CDF [9] y D [10] donde

actualmente se realiza una búsqueda exhaustiva del bosón de Higgs.

Con el CMS (Compact Muon Solenoid) del LHC en el CERN, se quiere estudiar el

amplio rango de partículas producidas por las colisiones entre protones a altas

energías (el LHC está tomando datos a 7 TeV de energía de centro de masa).

Estas colisiones producen partículas que son detectadas por el CMS cuyos datos

son recopilados y analizados posteriormente por investigadores que reconstruyen

los eventos y la presencia de las diferentes partículas obtenidas en la colisión para

establecer si hay una señal del bosón de Higgs.

Objetivos generales

Realizar un estudio del decaimiento del bosón de Higgs en el canal ZZ,

empleando el simulador PYTHIA 6.3

Objetivos Específicos

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Realizar un estudio bibliográfico sobre el estado de la búsqueda del bosón

de Higgs en los aceleradores, LEP (Large Electron Positron), Tevatrón y

LHC, para entender las probabilidades de producción y decaimiento del

Higgs.

Hacer un estudio de los posibles backgrounds del modelo estándar que

produzcan dos bosones Z’s.

Establecer, a partir de la simulación en PYTHIA, criterios de selección en la

producción del Higgs.

Diseño e implementación de un taller, a estudiantes de la carrera, con el

objetivo de explicar qué es el bosón de Higgs y su importancia en la física.

Además de mostrar la pertinencia de los procesos de simulación en el

entendimiento de la física.

Marcos de referencia

Marco Teórico

Modelo estándar

El modelo estándar describe la física de partículas elementales así como sus

interacciones. Dentro de este modelo se agrupan dos teorías que permiten

establecer el comportamiento de las partículas que componen la materia; la teoría

electro débil y la cromodinámica cuántica. Las partículas constituyentes de la

materia se presentan en tres familias; leptones quarks y los mediadores. A pesar

de los avances en el entendimiento de la física de partículas, el modelo estándar

presenta limitaciones, por ejemplo en el número de constantes físicas

fundamentales que explican los fenómenos físicos como la masa de las partículas

y algunas constantes de acoplamiento que al ser determinados experimentalmente

no pueden calcularse independiente unas de otras. Tampoco incluye la interacción

gravitatoria, porque mientras las partículas mediadoras de las otras interacciones

han sido observadas experimentalmente, el gravitón no ha podido encontrarse.

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Así, el modelo estándar no puede predecir una teoría de unificación que explique

simultáneamente la acción de las cuatro interacciones.

El modelo estándar explica cómo las partículas adquieren masa a través del

campo de Higgs. Así, cuando los bosones y fermiones interactúan con este

campo, las partículas son dotadas de masa. Este campo implica la existencia de

una nueva partícula conocida como el bosón de Higgs y aunque actualmente no

ha sido descubierta experimentalmente, se espera que con el LHC en

funcionamiento se alcancen energías suficientes para detectarla. De ser

encontrada la partícula de Higgs, se daría solución al origen de la masa de las

partículas así como la explicación de la ruptura espontánea de la simetría.

Para entender el modelo teórico en el que se sustenta la ruptura de la simetría

espontánea se expone una analogía con el potencial del sombrero mexicano

(Figura 1). En la cima del sombrero se encuentra una esfera en un estado

inestable, es decir, que cualquier mínima perturbación modificará su posición

inicial. Si se observa la esfera desde cualquier ángulo, cuando ésta se halla en la

cima, no habrá diferencia alguna de la posición en la que se encuentra, ya que la

esfera está en un estado perfectamente simétrico. Supongamos ahora que la

esfera es perturbada por una fuerza, ésta rodará hacia un costado del sombrero

eligiendo una dirección en particular que la diferenciará de las otras direcciones.

En este instante, el estado de la esfera será estable aunque la simetría se habrá

roto puesto que si la observamos en su nueva posición desde distintos ángulos del

sombrero, en algunos casos podremos ubicarla en el sombrero y en otros no. La

analogía con el mecanismo de Higgs, es que en el momento en que la esfera

rueda hacia un costado del sombrero eligiendo una dirección, es decir, cuando

sucede la ruptura de la simetría espontánea, el campo de Higgs interactúa con los

bosones W± y Z0 dotándolos de masa, mientras que no interactúa con el fotón.

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Figura 1. Sombrero de potencial mexicano.

Investigaciones realizadas en los diferentes detectores de los aceleradores han

establecido los posibles canales de producción y decaimiento para detectar el

bosón de Higgs con lo cual se tienen ciertos rangos de masa establecidos para

cada uno de los decaimientos.

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Figura 2. Sección eficaz de producción (arriba), y fracción de desintegración

(abajo) del bosón de Higgs en función de su masa mH [11].

En el LHC, el mecanismo de producción dominante para el Higgs, se ubica en el

proceso de fusión gluón-gluón Figura 2 (superior) provenientes de la colisión

protón-protón, sin embargo, existen otros procesos como la fusión quark-quark

con menor probabilidad de ocurrir aunque en el mismo rango de masas [11].

En la figura 2 (inferior) se observa que para diferentes valores de la masa del

bosón de Higgs, éste puede decaer en determinados pares de partículas. Las

investigaciones llevadas a cabo por los experimentos hacen un estudio que parte

del canal WW (el más probable), hasta el canal (menos probable), con el fin de

reforzar el potencial de descubrimiento del Higgs a partir de sus posibles

decaimientos.

Para mH > 140 GeV/c2, los canales de desintegración dominantes en los que es

posible encontrar una señal del Higgs, son los WW y ZZ, pero en este trabajo nos

enfocamos en el canal ZZ, por ser el canal más limpio debido a que en su estado

final decae en leptones que son más fáciles de detectar, mientras que el canal

WW decae en su estado final en leptones y neutrinos, los cuales no son fáciles de

detectar. Por otro lado, si la masa del bosón de Higgs estuviera entre los

80GeV/c2<mH<180GeV/c2, los canales adecuados para observar el decaimiento

del Higgs serían: el ( ) y el Z .

Para realizar un estudio detallado del decaimiento del Higgs se realiza una

simulación en PYTHIA, un programa utilizado como herramienta principal para la

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simulación de colisión entre partículas a altas energías. Las librerías que contiene

este programa permiten establecer estados iniciales y finales, teniendo en cuenta

las probabilidades de producción y decaimiento de las partículas que han sido

medidas por los diferentes experimentos.

Marco didáctico

La física de partículas es una ciencia que no puede entenderse a través de

fenómenos perceptibles ya que ella misma no lo es, pero puede ser entendida a

partir del estudio de datos arrojados por los diferentes experimentos propuestos en

los aceleradores, ya que éstos conducen a plantear una representación mental de

los eventos sucedidos a nivel subatómico.

Las simulaciones que se realizan en física posibilitan incrementar el rango de

situaciones que el estudiante puede abarcar además de acercarlo a otro tipo de

experiencias, puesto que en muchos casos es imposible acceder a la

experimentación directa, ya sea por limitaciones de laboratorio o de los modelos

físicos estudiados, así se hace necesario el empleo de nuevas estrategias para

este caso en particular, la simulación.

En este trabajo se hace un análisis del procedimiento utilizado para el diseño de

la simulación del decaimiento del bosón de Higgs, ya que, ésta es una herramienta

que facilita el aprendizaje en la física de partículas y mediante la cual nos

acercamos al modelo real de lo que ocurre a nivel subatómico.

Para lograr un correcto análisis, es necesario hacer reducciones en el modelo

físico (extraer backgrounds y aplicar filtros), es decir, realizar una adecuada

selección de la información que maximice la señal buscada en comparación con

los backgrounds existentes de manera que se facilite el acceso al conocimiento de

este trabajo.

Metodología

Se hace una investigación de la información recopilada sobre los experimentos

realizados para la búsqueda del bosón de Higgs con el fin de entender los distintos

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mecanismos que pueden conducirnos a su detección, pero se enfatiza en el

estudio el canal ZZ, ya que es uno de los canales con mayor probabilidad y más

limpio para buscar el Higgs. De esta manera y mediante el uso de PYTHIA 6.3 se

procede a realizar una simulación estimando backgrounds del modelo estándar

para establecer criterios de selección en la búsqueda del bosón de Higgs.

Cronograma

Fechas/Fases May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May

Recopilación de información x x x x

Instalación de PYTHIA x x x

Manejo de PHYTIA x x x x x

Simulaciones de ensayo x x

Simulación decaimiento Higgs x x x x

Análisis de datos y resultados x x x

Taller x

Trabajo escrito x x

Recursos Físicos

PC adecuado para correr PYTHIA 6.3.

Bases de datos en la biblioteca para la búsqueda de artículos.

Internet.

Bibliografías

Díaz Alonso Alejandro, Búsqueda del bosón de Higgs en el canal H-ZZ en CMS

empleando un método de análisis multivariado. 2007

[1] Lederman León, Teresi Dick. La partícula divina. Si el universo es la respuesta

¿Cuál es la pregunta? Barcelona 1996.

[2] Quigg Chris. Spontaneous Symmetry Breaking as a Basis of Particle Mass.

[3] Kado Marumi M. and Tully Christopher G. The searches for Higgs Bosons at

LEP.

[4] http://lephiggs.web.cern.ch/LEPHIGGS/pdg2008/

Page 11: boson de higgs

[5] http://www-bdnew.fnal.gov/tevatron/

[6] European Organization for Nuclear Research. (Delphi Collaboration) Search for

Charged Higgs Bosons at LEP in General Two Higgs Doublet Models.

CERN-EP/2003-064

http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/LHC-en.html

[7] http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/ATLAS-en.html

[8] http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/CMS-en.html

[9] http://www-cdf.fnal.gov/about/index.html

[10] http://www-d0.fnal.gov/

[11] Alejandro Alonso Díaz. Búsqueda del bosón de Higgs en el canal H→ZZ (*)

→4μ en CMS empleando un método de análisis multivariado.