Higgs o non Higgs questo è il dilemma!!

In questo articolo uscito il 2 Agosto, sul sito Arxiv.org nella sezione hep-ph, gli autori Jhon Ellis e Dae Sung Hwang si domandano se l'eccesso che è stato recentemente riportato dagli esperimenti ATLAS e CMS, con una massa di circa 125 GeV e con caratteristiche simili a quelle attese per il bosone di Higgs, possa avere o meno spin zero così come richiesto dal Modello Standard.


Gli autori, esaminando i diversi canali, sono in grado di fare delle previsioni più accurate per quanto riguarda lo spin della particella; infatti lo stato finale γ γ  non può provenire da una particella con spin uno (questo deriva da semplici considerazioni di conservazione del momento angolare) e lascia quindi aperte le possibilità che essa abbia spin due o spin zero. Per discriminare queste due possibilità gli autori inoltre studiano la possibile distribuzione angolare della coppia di fotoni nel caso in cui essi provengano da un ipotetico bosone di spin due, X2, che si suppone prodotto a seguito di collisioni gluone-gluone all'LHC e si assume che si accoppi come un gravitone massivo di Kaluza-Klein. Sotto queste ipotesi questa ipotetica particella di spin due può essere prodotta in una ben definita combinazione di stati di polarizzazione e la distribuzione angolare polare dello stato finale γ γ può essere ben studiata e risulterebbe non isotropa per un decadimento nel sistema di riferimento a riposo di X2 e quindi ben distinguibile dal decadimento, che invece risulterebbe isotropo, di un bosone con spin zero, X0. Questo per quanto riguarda quindi la discriminazione tra stato iniziale di spin zero o due nel canale in due fotoni.
Allo stesso modo la correlazione angolare dei prodotti di decadimento, l⁺ l^- provenienti dalla catena che ha inizio con il bosone di spin due, X2 → W⁺ W^-, si può prevedere ed è ben distinta da quella che ha origine dal decadimento X0 → W⁺ W^-. La differente distribuzione angolare è mostrata nei grafici sotto.

Diverse distribuzioni angolari per lo stato finale in 2 leptoni e 2 neutrini, nel caso in cui a decadere sia un bosone con spin due, X2 (grafico sopra) e nel caso in cui decada un bosone con spin zero X0 (grafico sotto, nel caso specifico in cui Φ=π/2).

Questo tipo di studi potrebbe quindi dare degli indizi sulla natura del bosone già a partire dai dati accumulati ora dagli esperimenti CMS e ATLAS semplicemente studiando quindi la distribuzione angolare dei prodotti di decadimento per i canali γ γ e l⁺ l^-. Tuttavia secondo gli autori servono delle simulazioni accurate e dettagliate che tengano in conto il funzionamento specifico dei rivelatori di CMS e ATLAS, prima di poter concludere se questo tipo di studi, nella pratica, può dare delle informazioni aggiuntive sullo spin dell'ipotetica particella responsabile degli eccessi osservati a circa 125 GeV; in ogni caso Ellis e Hwang sono fortemente convinti che studi di questo tipo vadano intrapresi da subito. Dai risultati preliminari di queste simulazioni emerge che la distribuzione angolare non varia sostanzialmente per un candidato Higgs con una massa tra 165 e 125 GeV e continua ad essere ben distinta e quindi fortemente discriminabile per i casi in cui a decadere sia un ipotetico bosone di spin zero o spin due; gli autori rimandano per ulteriori dettagli ad un articolo attualmente in fase di preparazione che sarà firmato da J. R. Ellis, R. Fok, D. S. Hwang, V. Sanz e T. You.

Non ci resta quindi che attendere e se il teorema di Hinchliffe non dovesse fallire la risposta alla domanda presentata nel titolo dell'articolo "Does the ‘Higgs’ have Spin Zero?" dovrà essere inesorabilmente negativa. Se così fosse, ironia a parte, sarebbe un fatto che aprirebbe la strada ad una fisica sicuramente inaspettata. Personalmente non mi fido del teorema di Hinchliffe perché ho avuto modo di appurarne la natura fallace, inoltre è pericolosamente contraddittorio, perciò mi aspetto che la risposta sia positiva!
Attendiamo ;)

Aggiornamenti:

• 30/08/2012 come annunciato, è uscito sul sito arxiv.org, il nuovo articolo firmato da J. R. Ellis, D. S. Hwang, V. Sanz e T. You. 

Abstract: The LHC experiments ATLAS and CMS have discovered a new boson that resembles the long-sought Higgs boson: it cannot have spin one, and has couplings to other particles that increase with their masses, but the spin and parity remain to be determined. We show here that the `Higgs' + gauge boson invariant-mass distribution in `Higgs'-strahlung events at the Tevatron or the LHC would be very different under the J^P = 0+, 0- and 2+ hypotheses, and could provide a fast-track indicator of the `Higgs' spin and parity. Our analysis is based on simulations of the experimental event selections and cuts using PYTHIA and Delphes, and incorporates statistical samples of `toy' experiments.

• 06/09/2012 esce sul sito arxiv.org, un nuovo articolo sull'argomento, firmato da Alexandre Alves, dal titolo: "Is the New Resonance Spin 0 or 2? Taking a Step Forward in the Higgs Boson Discovery"

Abstract: The observation of a new boson of mass $\sim 125\gev$ at the CERN LHC may finally have revealed the existence of a Higgs boson. Now we have the opportunity to scrutinize its properties, determining its quantum numbers and couplings to the standard model particles, in order to confirm or not its discovery. We show that by the end of the 8 TeV run, combining the entire data sets of ATLAS and CMS, it will be possible to discriminate between the following discovery alternatives: a scalar J^P=0+ or a tensor J^P=2+ particle with minimal couplings to photons, at a 5 sigma statistical confidence level at least, using only diphotons events. Our results are based on the calculation of a center-edge asymmetry measure of the reconstructed sPlot scattering polar angle of the diphotons. The results based on asymmetries are shown to be rather robust against systematic uncertainties with comparable discrimination power to a log likelihood ratio statistic.

• 19/10/2012 esce sul sito arxiv.org, un nuovo articolo sull'argomento, firmato da  John Ellis, Ricky Fok, Dae Sung Hwang, Veronica Sanz e Tevong You dal titolo: Distinguishing `Higgs' Spin Hypotheses using gamma gamma and WW* Decays.

Abstract: The new particle X recently discovered by the ATLAS and CMS Collaborations in searches for the Higgs boson has been observed to decay into gamma gamma, ZZ* and WW*, but its spin and parity, J^P, remain a mystery, with J^P = 0^+ and 2^+ being open possibilities. We use PYTHIA and Delphes to simulate an analysis of the angular distribution of gg to X to gamma gamma decays in a full 2012 data set, including realistic background levels. We show that this angular distribution should provide strong discrimination between the possibilities of spin zero and spin two with graviton-like couplings: ~ 3 sigma if a conservative symmetric interpretation of the log-likelihood ratio (LLR) test statistic is used, and ~ 6 sigma if a less conservative asymmetric interpretation is used. The WW and ZZ couplings of the Standard Model Higgs boson and of a 2^+ particle with graviton-like couplings are both expected to exhibit custodial symmetry. We simulate the present ATLAS and CMS search strategies for X to WW* using PYTHIA and Delphes, and show that their efficiencies in the case of a spin-two particle with graviton-like couplings are a factor ~ 1.9 smaller than in the spin-zero case. On the other hand, the ratio of X_{2^+} to WW* and ZZ* branching ratios is larger than that in the 0^+ case by a factor ~ 1.3. We find that the current ATLAS and CMS results for X to WW* and X to ZZ* decays are compatible with custodial symmetry under both the spin-zero and -two hypotheses, and that the data expected to become available during 2012 are unlikely to discriminate significantly between these possibilities.

• 19/10/2012 esce sul sito arxiv.org, un articolo sulla possibilità che il bosone scoperto al CERN abbia spin 2. L'articolo dal titolo "Note on 125 GeV Spin-2 particle" è firmato da Chao-Qiang Geng, Da Huang, Yong Tang e Yue-Liang Wu.

Abstract: A new boson around 125 GeV without specific spin has been observed by both ATLAS and CMS at the LHC. Since its decay into a diphoton excludes the spin-1 case by the Landau-Yang theorem, it leaves 0 or 2 as the possible lowest spin for the new boson. Instead of the well-established spin-0 Higgs-like boson, we take this new boson to be a spin-2 massive Graviton-like particle denoted as $G$, which exists copiously in extra-dimension theories, and concentrate on its phenomenology. In particular, we calculate the three-body decays of $G\toV f\bar{f}'$ with $V$ and $f^{(\prime)}$ the gauge boson and fermions in the standard model (SM) and compare our results with those of the SM Higgs boson. The couplings between $G$ and $V$s are also estimated by fitting the data. A new observable that can distinguish $G$ from the Higgs is proposed.

• 14/11/2012 esce sul sito arxiv.org un articolo dal titolo "Prima Facie Evidence against Spin-Two Higgs Impostors" in cui la possibilità che il nuovo bosone X scoperto al LHC non sia il "vero" bosone di Higgs di spin-0 ma per così dire un "impostore" di spin-2 viene esclusa. In particolare viene escluso  a "prima vista", utilizzando i dati disponibili al momento, il fatto che si tratti di una sorta di gravitone in scenari AdS con una dimensione extra, questo principalmente perché questi modelli prevedono un rapporto troppo piccolo tra gli accoppiamenti della particella X con WW e ZZ, rispetto a quello che avrebbe con i fotoni e questo risulta in disaccordo con i dati raccolti finora. L'articolo è firmato da John Ellis, Veronica Sanz e Tevong You.

Abstract: The new particle X recently discovered by the ATLAS and CMS Collaborations is widely expected to have spin zero, but this remains to be determined. The leading alternative is that X has spin two, presumably with graviton-like couplings. We show that measurements of the X particle to pairs of vector bosons constrain such scenarios. In particular, a graviton-like Higgs impostor in scenarios with a warped extra dimension of AdS type is prima facie excluded, principally because they predict too small a ratio between the X couplings to WW and ZZ, compared with that to photons. The data also disfavour universal couplings to pairs of photons and gluons, which would be predicted in a large class of graviton-like models.

Curiosità: nella parte finale del sommario è presente la seguente frase: "Theorists expect the contest between spin zero and spin two to be like a match between Brazil and Tonga. The question is: what is the game - football (soccer) or rugby?" Secondo voi di che sport si tratta? ;)