Se observa un nuevo bosón ligero no predicho por el modelo estándar (nunca había ocurrido)

En un artículo publicado en arXiv, siete físicos han informado de la observación de un nuevo e inesperado bosón ligero, conocido como E(38), en el acelerado de partículas superconductor Nuclotron del Joint Institute for Nuclear Research en Dubna, cerca de Moscú. Un bosón es una partícula cuya función de onda vuelve a su valor original cuando se rota 360°, y las actuales partículas elementales que son bosones comprenden al fotón; los gluones, que unen los quarks y otros gluones para formar protones, neutrones y núcleos atómicos; los bosones vector W y Z que transmiten la fuerza nuclear débil; el recientemente descubierto candidato a bosón de Higgs; y el gravitón. Las funciones de onda del resto de partículas elementales conocidas vuelven a su valor original multiplicado por -1 cuando se rotan 360°, y solo vuelven a su valor original cuando se rotan 720°.

Al contrario que el candidato a bosón de Higgs recientemente descubierto en el CERN, cuya masa es de aproximadamente 125 GeV o 133 veces la masas del protón, y aproximadamente igual a la masa de un núcleo de cesio que contiene 55 protones y 78 neutrones, la masa del nuevo bosón E(38) es de apenas 38 MeV o 0,038 GeV, menos de un tercio de la masa del pión, que se forma a partir de un quark y un artiquark unidos por gluones, y es la partícula de interacción fuerte más ligera. El bosón E(38) no se predice en el Modelo Estándar de interacciones electrodébiles y fuertes, y de confirmarse las observaciones, será el primer descubrimiento de una partículas elemental no predicha por el Modelo Estándar, desde que se estableció el mismo en la década de 1970. El bosón E(38) no puede, sin embargo, ser el constituyente de la desconocida materia oscura que forma el 83% de la masa de la materia en el universo, debido a que no es de vida larga.

La existencia del bosón E(38) se defendió inicialmente por parte de Eef Van Beveren y George Rupp, que afirmaron en un artículo publicado en febrero de este año, haber descubierto pruebas de la partícula en datos de la Colaboración CMD-2 Detector en el Colisionador VEPP-2M del Budker Institute of Nuclear Physics en Novosibirsk, la Colaboración CDF en el Tevatron del Fermilab, la Colaboración BABAR del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), la Colaboración CB-ELSA del experimento Crystal Barrel en Bonn, y la Colaboración COMPASS de la instalación del acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) en el CERN. Sin embargo la Colaboración COMPASS cuestionó la interpretación de van Beveren y Rupp de sus datos, a lo cual replicaron a su vez van Beveren y Rupp.

Los nuevos resultados procedentes del Nuclotron de Dubna encontraron pruebas del bosón E(38) en tres procesos distintos: dispersión de un haz de deuterones con una energía por nucleón de 2,0 GeV sobre un objetivo de carbono, dispersando un haz de deuterones con 3,0 GeV de energía por nucleón sobre un objetivo de cobre, y un haz de protones con 4,6 GeV de energía por protón sobre un objetivo de carbono. En cada caso, las pruebas del bosón E(38) fue un pequeño exceso sobre el ruido de fondo, con un pico en aproximadamente 38 MeV, en la distribución de la masa invariante de los pares de fotones producidos en la reacción. El exceso normalmente está solo entre un 10 y un 15 por ciento por encima del ruido de fondo en su máximo y, por tanto, es sensible a errores en el modelado del fondo, como es el caso de la mayor parte de búsquedas de una nueva física en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Como ha señalado George Rupp en un comentario más abajo, la significación estadística de la observación de Dubna es de entre 5 y 6 sigma para cada proceso.

En varios medios se ha destacado que aún no sabemos el espín de la partícula descubierta el 4 de julio de 2012 en el LHC del CERN es cero o dos; la desintegración de dicha partícula en dos fotones descarta que tenga espín uno, o espín semientero, pero aún no está confirmado que tenga espín cero (con una confianza estadística de al menos cinco sigmas). El bosón de Higgs predicho por el modelo estándar es una partícula neutra de espín cero, de tipo escalar (también las hay pseudoescalares), que se acopla al resto de las partículas de una forma muy concreta. Hay dos maneras de estudiar el espín de una partícula nueva. El camino fácil es estudiar en qué partículas se desintegra y en qué partículas no se desintegra; lo primero es más fácil que lo segundo, que requiere un gran número de colisiones. El camino difícil es estudiar la diferencia entre los ángulos de salida de los productos de desintegración para la partícula y para los eventos de fondo (ruido); este camino es difícil porque requiere un análisis muy técnico y delicado (llamado MELA), pero tiene la ventaja de que requiere analizar menos colisiones. El camino fácil nos los ilustró gráficamente muy bien Aidan Randle-Conde, “Spinning out of control!,” USLHC, Quantum Diaries, July 16th, 2012; el camino difícil lo discutió Richard Ruiz, “What Comes Next?,” USLHC, Quantum Diaries, July 3rd, 2012, y “What If It’s Not The Higgs?,” USLHC, Quantum Diaries, August 29, 2012.

La medida del espín de una partícula requiere proyectar dicho espín sobre cierto eje (o dirección en la que medimos). Un electrón tiene espín 1/2 y la medida de su espín en cierto eje permite obtener dos valores posibles con espín +1/2 o -1/2. En general, una partícula con masa que tenga espín 1 (como un mesón J/ψ, o los bosones W y Z) puede tener tres estados de su espín proyectado sobre un eje +1, 0, y -1. Sin embargo, una partícula sin masa con espín 1 (como el fotón o el gluón) solo puede tener estados con espín +1 y -1. Por tanto, una partícula que se desintegra en dos fotones puede tener espín 0 = 1-1, o espín 2 = 1+1, pero no puede tener espín 1 ≠ 1 ± 1, o espín semientero.

El bosón de Higgs también se desintegra en parejas de fermiones, por ejemplo, dos quarks bottom (b) o dos leptones tau (τ), que son partículas de espín 1/2. Esta información puede usarse para descartar que el espín sea 2. Una partícula de espín 2 no puede desintegrarse en dos leptones tau, 2 ≠ 1/2 ± 1/2; la desintegración en dos quarks no nos sirve, porque suele ir acompañada de gluones, siendo posible la combinación 2 = 1/2 +1/2 + 1, como muestra la figura.

El camino difícil requiere aplicar la cinemática relativista, la ley de conservación del momento, para calcular el ángulo entre la trayectoria de los productos de desintegración y la trayectoria inicial de la partícula que se desintegra. Por ejemplo, en el caso de la desintegración del bosón de Higgs en un par de quark bottom (b) y antiquark bottom (bbar), la siguiente figura muestra la distribución de los ángulos en función del espín de la partícula para el caso de espín cero (figura izquierda) y espín dos (figura derecha). La diferencia está muy clara. Lo importante es que gracias a un análisis de este tipo se puede estudiar el espín de la partícula incluso si no hay colisiones suficientes para garantizar un descubrimiento en el canal bb.


El análisis MELA (Matrix Element Likelihood Analysis) se puede realizar para todos los modos de desintegración del Higgs (en especial los subcanales de los canales ZZ y WW), aunque el número de ángulos necesarios depende del número final de productos de desintegración. Por ejemplo, en el subcanal H → ZZ → 2e2μ, los cuatro leptones (dos electrones y dos muones) requieren especificar cinco ángulos, como indica la siguiente figura.

La ventaja de este tipo de análisis (repleto de trigonometría) es que permite diferenciar entre una partícula de espín cero escalar (0+) y pseudoescalar (0-). Para un Higgs con una masa de 125 GeV bastan unos 20 /fb de datos de colisiones para realizar esta distinción en el canal ZZ con 2 sigmas (siendo necesario 30 /fb para obtener unas 3 sigmas). Combinando varios canales, con unos 20 /fb de datos ya se pueden conocer estos detalles de la partícula descubierta el 4 de julio y confirmar si se trata el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar o si no lo es.

Más información por ejemplo en “Yanyan Gao (Fermilab), “Property Measurements of Higgs-like Single Resonance at LHC MELA and Spin Hypothesis Separation,” July 15, 2012 [slides]; Markus Schulze et al., “MELA: Spin, parity, and couplings of a Higgs-like resonance,” March 28, 2012 [slides]; S. Bolognesi et al., “Determination of properties of a Higgs-like resonance at LHC: Separation of spin hypotheses,” ICHEP 2012 [slides].