tesis pregrado(2) (PDF)

´ DE HIGGS A PAREJAS DE FERMIONES
DECAIMIENTO DEL BOSON

˜
LUIS FELIPE PINERES
RICO

´
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO
´
FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS
PROGRAMA F´ISICA
´
ATLANTICO
BARRANQUILLA
2015

´
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO
´
FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS
PROGRAMA F´ISICA

˜
LUIS FELIPE PINERES
RICO

´ DE HIGGS A PAREJAS DE FERMIONES
DECAIMIENTO DEL BOSON

Materias o temas:
-Modelo Est´andar.
-Bos´on de Higgs.
-Reglas de Feynman.

˜
LUIS FELIPE PINERES
RICO
C´od 203091037

´ DE HIGGS A PAREJAS DE FERMIONES.
DECAIMIENTO DEL BOSON

Trabajo de grado presentado al programa de f´ısica de la facultad de ciencias b´asicas
de la Universidad del Atl´antico para la obtenci´on del t´ıtulo de f´ısico. Grupo de
part´ıculas elementales y cosmolog´ıa PEYCOS. L´ınea de investigaci´on: f´ısica de
part´ıculas.
Director: Dr. Mario Acero Ortega.
Coodirector: MSc. Rodolfo Capdevilla.

CONTENIDO

´
1. INTRODUCCION

2

´
2. MARCO TEORICO

5

2.1. Principio Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2. Introducci´on al Modelo Estandar de la f´ısica de part´ıculas . . . . . .

10

2.3. Part´ıculas elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.4. Lagrangiano del Modelo Estandar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4.1. Sector Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4.2. Sector fermi´onico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.4.3. Sector de Yukawa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.4.4. Sector de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3. REGLAS DE FEYNMAN

20

3.1. Diagramas de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.2. Reglas de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

´ DE RAMIFICACION
´
4. RAZON

23

´ DE HIGGS A PAREJAS FERMIO´
5. DECAIMIENTO DEL BOSON
NES H → f f¯

28

5.1. Amplitud de Transici´on MH→f f¯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5.2. Ancho Parcial de Decaimiento ΓH→f f¯ . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

i

6. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

35

6.1. Ancho total de decaimiento del bos´on de Higgs . . . . . . . . . . . . .

35

6.2. Raz´on de Ramificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

7. Ap´
endice

44

7.1. Reglas de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

7.2. Espinores de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

7.3. Ancho Parcial ΓH→W + W − . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

7.4. Amplitud de Transici´on MH→W + W −

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

7.5. Ancho Parcial ΓH→Z 0 Z 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

Bibliograf´ıa

56

ii

LISTA DE FIGURAS

2.1. Part´ıculas elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.1. Diagrama de Feynman del proceso e− + e− → e− + e− . . . . . . . . .

21

3.2. Notaci´on en un diagrama de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.1. Diagrama de Feynman a orden a´rbol H → f f . . . . . . . . . . . . .

25

4.2. Diagrama de Feynman a orden a´rbol H → W W . . . . . . . . . . . .

25

4.3. Diagrama de Feynman a orden a´rbol H → ZZ . . . . . . . . . . . . .

26

4.4. Diagrama de Feynman a un loop H → gg, H → γγ . . . . . . . . . .

26

6.1. Ancho total de decaimiento en funci´on de la masa del Higgs . . . . .

36

6.2. Raz´on de decaimiento del bos´on de Higgs H → b¯b . . . . . . . . . . .

38

6.3. Raz´on de decaimiento del bos´on de Higgs H → tt¯ . . . . . . . . . . .

38

6.4. Raz´on de decaimiento del bos´on de Higgs H → f f¯ . . . . . . . . . .

39

6.5. Correcciones radiativas, donde f = quark . . . . . . . . . . . . . . . .

40

6.6. Raz´on de decaimiento del bos´on de Higgs H → f f¯, MH = 140GeV

.

41

6.7. Raz´on de decaimiento del bos´on de Higgs en funci´on de MH . . . . .

43

7.1. Part´ıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

7.2. Acople entre el Bos´on de Higgs y los bosones d´ebiles . . . . . . . . . .

46

7.3. Autoacople del Bos´on de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

7.4. Raz´on de ramificaci´on H → W + W − . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

iii

7.5. Raz´on de ramificaci´on H → Z 0 Z 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

55

Resumen
En este trabajo se ha calculado el decaimiento del bos´on de Higgs a parejas de fermiones. Se demostr´o que este decaimiento es proporcional a la masa de los fermiones, es
decir que para part´ıculas pesadas se obtuvo una probabilidad de decaimiento mayor.
El estudio realizado abarca un breve resumen acerca del modelo esta´
ndar, el campo
de Higgs y el planteamiento de las herramientas necesarias para realizar c´alculos en
f´ısica de part´ıculas, como lo son los diagramas de Feynman y las reglas de Feynman
para obtener la amplitud de transici´on M. Se han determinado las razones de ramificaci´on para cada pareja de fermiones y se han verificado los resultados obtenidos con
los datos publicados por los experimentos ATLAS y CMS del LHC.

1

´
INTRODUCCION
Experimentos desarrollados por la Organizaci´on Europea para la Investigaci´on Nuclear (CERN), actualmente en el Large Hadron Collider (LHC) involucran part´ıculas
a altas velocidades relacionando a su vez distintos procesos como decaimientos, colisiones, dispersiones, entre otros.
La teor´ıa cu´antica de campos nos da las bases para el estudio de dichos procesos,
como el uso de las reglas y diagramas de Feynman, t´ecnicas para calcular la secci´on
eficaz, y ancho parciales. El estudio de dichos procesos generan predicciones te´oricos,
propuestos por el Modelo Est´andar (M.E) de la F´ısica de Part´ıculas que son verificados
de manera experimental en el CERN, haciendo del M.E una teori´a exitosa y confiable
para la descripci´on de los procesos mencionados.
El M.E describe las part´ıculas elementales y sus interacciones. Este se construye
a partir del principio de simetr´ıa de gauge. La simetr´ıa gauge no permite que las
part´ıculas elementales posean una masa apriori, siendo necesario alg´
un mecanismo por
el cual las part´ıculas adquieran masa. Tal mecanismo fue propuesto por Higgs,Brout
y Englert, y es conocido como el mecanismo de Higgs. Este mecanismo postula la
existencia de una part´ıcula escalar masiva (el bos´on de Higgs) y de un campo que
permea el vac´ıo y cuya interacci´on con otras part´ıculas permite que estas adquieran
masa. El descubrimiento del bos´on de Higgs en 2012 por los experimentos del LHC
[6,7] ha sido uno de los mayores logros de los u
´ltimos tiempos en el campo de las
part´ıculas elementales.

2