tesis pregrado(2)

´ 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