Se observa por primera vez el bosón de Higgs en un canal fermiónico (H→ττ)

El LHC del CERN, tanto ATLAS como CMS, observaron el pasado 4 de julio un bosón de Higgs con una masa de 125,7 GeV/c² en dos canales bosónicos de desintegración del Higgs, H→γγ y H→ZZ. En los canales fermiónicos, H→ττ y H→bb, ni ATLAS ni CMS observaron ninguna señal tras analizar 10 /fb de colisiones. Hoy, tras analizar 17 /fb de colisiones, CMS observa por primera vez el bosón de Higgs en un canal fermiónico, H→ττ. ¿Cómo se compara la señal observada con las predicciones del modelo estándar? El valor observado μ = 0,72 ± 0,52 está en buen acuerdo con el valor predicho (μ = 1), aunque todavía no tiene la precisión que esperamos ver la próxima primavera (cuando se analicen unos 30 /fb de colisiones)<(well compatible with SM). Ahora habrá que esperar a los resultados de ATLAS, que casi con toda seguridad confirmará el resultado de CMS. Buenas noticias para el modelo estándar y malas noticias para aquellos físicos que quieren ver cuanto antes nueva física más allá del modelo estándar. Los nuevos resultados se presentarán esta madrugada en la charla de Roger Wolf (CMS Collaboration), “Search for the SM Higgs Boson in Di-τ Final States at CMS,” HCP 2012, 14 Nov. 2012 [slides].

Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC

El modelo estándar de la física de partículas oculta muchos fenómenos que aún no han sido observados. En septiembre de 2012, se realizó una prueba piloto de colisiones de protón contra núcleo de plomo (pPb) a 5,02 TeV en el LHC para preparar las colisiones que se iniciarán en enero de 2013. CMS recopiló dos millones de colisiones pPb, muy pocas, pero suficientes para observar un nuevo fenómeno que aún no tiene explicación (aunque todo el mundo cree que el modelo estándar debería poder explicarlo). Este fenómeno, la existencia de correlaciones angulares entre pares de partículas en colisiones con un gran número de partículas, ya fue observado en septiembre de 2010 en las colisiones de protón contra protón (pp) a 7 TeV. En estas colisiones pp el fenómeno es muy raro, ocurre una vez cada 100.000 colisiones (en 2010 CMS lo observó tras analizar 150 mil millones de colisiones pp). Nunca antes se habían observado estas correlaciones que se parecen a efectos observados en las colisiones de iones pesados en el RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider), también observados por CMS, ATLAS y ALICE en las colisiones de núcleos de plomo contra núcleos de plomo (PbPb) a 2,76 TeV. Sin embargo, el fenómeno observado en colisiones pp y pPb no ha sido confirmado aún ni por ATLAS ni por ALICE. Aunque aún no hay una explicación satisfactoria a este nuevo fenómeno, todo el mundo piensa que no es necesaria física más allá del modelo estándar. Nos lo cuenta Wei Li, Gunther Roland (CMS Heavy Ions group), “Unexplained long-range correlations observed in pPb collisions,” CMS News, Oct. 22, 2012, quienes se hacen eco del artículo técnico de CMS Collaboration, “Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC,” arXiv:1210.5482, Subm. 19 Oct. 2012.

Las correlaciones observadas en las colisiones pp, PbPb y pPb aparecen en los eventos con una alta densidad de partículas, por ello son muy raras en las colisiones pp. Para muchos ha sido una sorpresa observar estas correlaciones con tan pocas colisiones pPb, ya que la magnitud de las mismas es similar a las de las colisiones pp. Como muestra la figura, Δφ es el ángulo azimutal relativo (en el plano transversal a los haces que colisionan) entre las trayectorias de cada par de partículas en colisión. El nuevo fenómeno observado es un incremento en el número de pares de partículas para ángulos pequeños. La explicación de este fenómeno debe estar relacionada con la aparición de correlaciones cuánticas de largo alcance en el plasma de quarks y gluones (QGP) formado durante la colisión. En las colisiones pp donde se observa una alta densidad de partículas, éstas se comportan como un QGP; como la física de este fenómeno es muy complicada, aún podemos esperar que se descubran nuevas sorpresas en un futuro próximo.

ATLAS y CMS ya superan los 10 /fb de colisiones en 2012, y LHCb supera 1 /fb

Hoy sábado los experimentos ATLAS y CMS del LHC en el CERN han logrado acumular 10,02 y 10,04 inversos de femtobarn (1/fb) de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m.; el experimento LHCb ha acmulado 1,02 /fb y ALICE 2,30 /pb (LHC statistics; ATLAS luminosity; CMS luminosity). El ritmo actual de colisiones equivale a 1 /fb (inverso de femtobarn) a la semana en ATLAS y CMS lo que implica que para el 16 de septiembre se habrán acumulado unos 15 /fb en cada uno de ellos, lo que a su vez sugiere que en las conferencias en octubre podría publicarse un nuevo resultado sobre la búsqueda del bosón de Higgs con, más o menos, el doble de colisiones de las utilizadas en el anuncio del 4 de julio. Para diciembre/enero podríamos estar hablando de otros 10 /fb adicionales, es decir, un total de 30 /fb sumando las colisiones de 2011 y 2012. Más información en Philip Gibbs, “10/fb LHC Update,” viXra log, August 4, 2012.

Los dos artículos que aparecieron en ArXiv el 31 de julio (versión final de lo anunciado el 4 de julio) indican que ATLAS ha observado con 5,9 sigmas una nueva partícula consistente con un bosón de Higgs con una masa de 126,0 ± 0,4 ± 0,4 GeV/c² [paper en ArXiv], mientras que CMS la ha observado con 5,8 sigmas y una masa de 125,3 ± 0,4 ± 0,5 GeV/c² [paper in ArXiv]. Para octubre se sabrá con bastante seguridad si la nueva partícula es el Higgs predicho o un primo (impostor); aún así, habiendo ya anunciado una rueda de prensa para diciembre, no sé si se publicarán nuevos análisis en octubre o si se retrasarán hasta final de año (yo apuesto por esto último).

Un buen resumen del estado presente y futuro (a corto plazo) de la búsqueda del Higgs en CMS nos la ofrece Markus Klute (MIT), “Higgs Physics in CMS – Status and Future,” LHC Search Strategies, Perimeter Workshop, August 2nd, 2012 [slides].

Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas “luces” en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), “Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was “Higgs-CMS”),” ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).

En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), “Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.

¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).

Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con “alfileres.” ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), “Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.

Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σ_SM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), “Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,” ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), “Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,” ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.

En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.

Duro varapalo al Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”) en el segundo día del ICHEP 2012

La búsqueda del Higgs en 2011 en el LHC, tanto en CMS como en ATLAS, mostró un exceso en el canal difotónico (H→γγ) que hizo que mucha gente soñara con un Higgs fermiófugo (“fermiofóbico”), es decir, un Higgs que solo se acopla a los bosones W y Z, y que no dota de masa a los fermiones (quarks y leptones). Este tipo de Higgs solo se desintegraría en los canales WW, ZZ y γγ, presentando un exceso en este último. Los datos de 2011 y 2012 en CMS excluyen al 95% CL un Higgs fermiófugo en el intervalo de masas [110, ­147] GeV y al 99% CL en el rango [110, ­134] GeV. La señal del Higgs alrededor de 125,5 GeV no puede ser de un Higgs fermiófugo. Nos lo ha contado Matteo Sani (on behalf of the CMS Collaboration), “Search for a Fermiophobic Higgs Particle,” ICHEP 2012, 6th July.

El análisis de 5,1 /fb de datos de 2011 con colisiones a 7 TeV c.m. y de 5,3 /fb de 2012 a 8 TeV c.m. publicado el segundo día del ICHEP 2012, muestra claramente un resultado incompatible con las predicciones teóricas para un Higgs fermiófugo (marcadas por la raya roja horizontal en el valor unidad en esta figura). El pequeño exceso que sigue habiendo en el canal difotónico alrededor de 125,5 GeV, de unas 3,2 sigmas, es demasiado débil (0,49 ± 0,18) para ser consistente con un Higgs fermiófugo. Habrá que buscar otra explicación para el exceso observado en los datos del canal difotónico de desintegración del Higgs.

¿Qué pasa con los otros canales de desintegración del Higgs fermiófugo? El resultado preliminar para los datos de 2012 solamente a más de 3 sigmas un Higgs fermiófugo alrededor de 125 GeV. No se ha combinado con los resultados de 2011, pero el reanálisis de los datos de 2011 no se excluye un Higgs fermiófugo en el intervalo [124, 128] GeV, pero sí, al 99% CL en el resto del intervalo [110, 148] GeV. Todo apunta a que la combinación (hecha a ojo) excluirá también ese pequeño resquicio que dio esperanza en 2011 a los que gustaban de un Higgs fermiófugo.

Una sorpresa que podemos esperar en el canal difotónico para la búsqueda del Higgs

Hay una cosa que mucha gente olvida y que es de capital importancia en la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN: las predicciones teóricas del modelo estándar son muy difíciles de calcular y mejoran conforme pasa el tiempo. Buen ejemplo de ello es esta figura. En la parte izquierda se muestra lo que era un misterio en noviembre de 2011 (publicado como tal en la revista JHEP en enero de 2012). En la parte derecha aparece la solución del misterio (aparecida en ArXiv en febrero de 2012). Había un misterioso exceso en las colisiones protón-protón que mostraban un par de fotones en el experimento CMS, al compararlas con las predicciones teóricas calculadas hasta el orden NLO. Dicho exceso ha desaparecido al compararlas con las predicciones teóricas calculadas hasta NNLO. Esto nos recuerda que no siempre la contribución del siguiente orden de la teoría de perturbaciones es pequeña; en este caso el orden NNLO introduce un efecto entre el 40 y el 55% respecto al orden NLO.

¿Qué significa esto con respecto a la búsqueda del bosón de Higgs con masa alrededor de 125 GeV/c²? El canal difotónico es el “gold channel” de esta búsqueda y mostraba un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar, que llevó a algunos físicos a proponer que la señal a 125 GeV/c² correspondía a un primo (“fermiofóbico”) del Higgs. ¿Hasta qué orden se calculó dicho canal difotónico? El cálculo se realizó hasta NLO, luego es posible que veamos sorpresas cuando se calcule hasta NNLO. ¿Significa esto que la señal observada de un Higgs desaparecerá? Como también fue observada por ATLAS, no creo que ese sea el caso. Más bien, pero es una opinión personal mía, podría significar lo contrario, que la señal publicada en diciembre de 2011 aparentaba ser más débil de lo que en realidad era y que un nuevo análisis de dichos datos podría reforzar dicha señal. Obviamente, es solo una opinión mía. Que nadie me tire de las orejas si me equivoco (quizás lo sabremos el 4 de julio). Los autores de blogs estamos para eso, para equivocarnos.

El misterioso exceso observado por CMS se publicó el 1 de noviembre de 2011 en “Measurement of the Production Cross Section for Pairs of Isolated Photons in pp collisions at s√ = 7 TeV,” CMS-QCD-10-035, CERN-PH-EP-2011-171, arXiv:1110.6461 y apareció en revista el 25 de enero de 2012 (J. High Energy Phys. 01 (2012) .133). Mucha gente se hizo eco de este exceso, como Matt Strassler, “Two-Photons: Data and Theory Disagree,” OPS, Nov. 1, 2011 (que achacó de forma acertada el exceso a un error en el cálculo teórico de la predicción del modelo estándar); Matti Pitkanen, “CMS observes large excess of diphotons,” TGD Diary, Nov. 2, 2011 (que también acertó al afirmar que se trataba de un error sistemático); Lubos Motl, “CMS: a very large excess of diphotons,” TRF, Nov. 1, 2011 (que rápido como el rayo soñó con nueva física más allá del modelo estándar); y otros. Por cierto, yo no me molesté en hacerme eco de esta noticia en este blog (aunque escribí un borrador al respecto que quedó inacabado y por eso ahora rescato esta noticia).

La solución del misterio aparece publicada en múltiples sitios: Leandro Cieri, “Diphoton production at NNLO,” Winter School, Ascona, January 27, 2012; Leandro Cieri, “Diphoton production at LHC: 120 < Mγγ < 140 GeV,” Rencontres de Moriond, March 11, 2012; Jonathan M. Butterworth, Guenther Dissertori, Gavin P. Salam, “Hard Processes in Proton-Proton Collisions at the Large Hadron Collider,” Annual Review of Nuclear and Particle Science, arXiv:1202.0583; y otros artículos más recientes.

El Higgs “fermiofóbico” y los rumores para San Fermín sobre el Higgs en el ICHEP 2012

Lo primero es lo primero, los rumores. Como ya viene siendo costumbre, Peter Woit vuelve a lanzar rumores sin fuente: se ha observado en el LHC del CERN una señal a 4 sigmas de la existencia de un bosón de Higgs con una masa de unos 125 GeV (“The Higgs Discovery,” NEW, June 17, 2012). El rumor sobre ATLAS se lanzó hace unos días, ahora también se incluye a CMS (que ha realizado un análisis “ciego”). “En el primer congreso estrella de física de partículas de este verano, el ICHEP2012 que se celebra en Melbourne, Australia, se anunciarán los nuevos resultados sobre la búsqueda del Higgs en el LHC (tanto CMS como ATLAS) el sábado 7 de julio, entre las 17:30 y 18:00 (hora de Madrid, en Melbourne será entre las 09:30 y las 10:00).”

Como también ya es habitual, Philip Gibbs se hace eco de estos rumores, para darle más coba a Woit, en “ICHEP Higgs Rumours = Discovery ?,” viXra, June 17, 2012. En el canal difotónico, el año pasado se alcanzó una significación estadística para un Higgs de unos 125 GeV de hasta 3,1 sigmas en CMS y hasta 2,9 sigmas en ATLAS (estimación oficiosa de Gibbs, más optimista que la oficial del CERN). Estas estimaciones oficiosas, al añadir más de 4 /fb de datos de colisiones en el LHC a 8 TeV c.m., se logrará una estimación oficiosa de más de 5 sigmas (un descubrimiento oficioso) para el Higgs. Hay que recordar que estas estimaciones oficiosas se basan en combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS, algo que no se realizará de forma oficial hasta 2013 y no se publicará hasta julio de 2013, como pronto. En el CERN se desea que ambos experimentos, ATLAS y CMS, descubran el Higgs de forma independiente, algo que podrán hacer sin combinar sus colisiones a finales de este año.

Por supuesto, Gibbs nos recuerda que (1) no se puede confiar en los rumores; (2) a estas fechas, CMS debería haber analizado al menos 4,5 /fb de colisiones y ATLAS al menos 3 /fb de colisiones (estos datos también son rumores), si ya se ve una señal a 4 sigmas es posible que en julio la señal todavía tenga más significación; y (3) una evidencia a 4 sigmas con solo los datos de 2012 es un poquito mejor de lo esperado (es decir, una fluctuación estadística a favor del Higgs), pero todo depende de lo bien que hayan funcionado las técnicas de mitigación del apilado (pileup) de colisiones durante los análisis (aunque para el canal difotónico este inconveniente afecta muy poco).

Lo segundo es hablar del Higgs fermiofóbico. Lo primero de lo segundo, aclarar la traducción. En español debería llamarse Higgs fermiófugo, pero la costumbre entre los físicos experimentales es traducir “fermiophobic” por “fermiofóbico.” Lo siento por los lingüistas, pero cambiar las costumbres es difícil (recuerda que el “positón” (traducción correcta de “positron” en inglés) es mal traducido “positrón” por cuestiones de costumbre) y las lenguas vivas evolucionan gracias a las costumbres.

¿Qué es un Higgs fermiofóbico? Un Higgs cuyos acoplamientos al quark top, al quark bottom y a los leptones tau (y a los demás quarks y leptones, pero son poco relevantes por su pequeña masa) son mucho más pequeños de lo que predice el modelo estándar, o están anulados por alguna razón (hay muchas propuestas teóricas). Un Higgs fermiofóbico debe ser observado gracias a los canales de desintegración WW, ZZ, γγ, y Zγ (y muchos otros pero con probabilidad despreciable).

Los datos de colisiones de 2011 en el LHC han mostrado señales del Higgs en el canal γγ, y algo menos en los canales WW y  ZZ (en julio en el ICHEP se prevé que también en el canal Zγ). Da la casualidad que estos canales son los asociados a un Higgs fermiofóbico, lo que ha generado cierta expectación entre los físicos teóricos. Pero debemos ser fieles a la verdad, para un Higgs de 125 GeV, la señal esperada para un Higgs fermiofóbico en estos canales coincide con la esperada para un Higgs del modelo estándar en dichos canales, como muestra esta figura [fuente].

Por tanto, no podemos descartar que se haya observado un Higgs fermiofóbico, pero mientras los canales “fermiónicos” (especialmente bb y ττ) sigan dando una relación señal/ruido tan mala, la preferencia oficial debe ir hacia el Higgs del modelo estándar. Ello no quita que los físicos experimentales busquen un Higgs de este tipo y la figura de abajo muestra el resultado obtenido en CMS para el canal difotónico con 4,8 /fb de colisiones de 2011 a 7 TeV c.m. Recuerda, en esta figura solo aparece el canal γγ.

Interpretar esta figura requiere dos consideraciones. La primera, hay una señal, aunque débil, en el canal bb que ha sido observada en el Tevatrón, en contra de un Higgs fermiofóbico. La segunda, otros canales de desintegración no muestran un pico tan claro para un Higgs fermiofóbico como el canal difotónico mostrado en esta figura. La tercera, las colisiones analizadas en 2011 no son suficientes para excluir un Higgs fermiofóbico con una masa por encima de unos 130 GeV, lo que hace que el pico (línea negra) que se observa a 125 GeV se parezca más a una fluctuación estadística que a un pico bien definido. Y la cuarta, para la mayoría de los físicos experimentales, se trata de una simple casualidad, debido a que el Higgs parece que tiene la masa adecuada (125 GeV) para que ocurra esta coincidencia entre el caso fermiofóbico y el del modelo estándar.

Por supuesto, en física de partículas nunca se puede decir nunca jamás (y las sorpresas son lo realmente maravilloso de este campo del saber). Habrá que esperar a los análisis presentados en el ICHEP 2012 para confirmar o desmentir estas señales fermiofóbicas, pero mi opinión es que serán desmentidas. En concreto, “Search for a fermiophobic Higgs particle” (7 de julio) y “Fermiophobic Higgs Boson in Associated Production with a Massive Vector Boson” (6 de julio).

El experimento CMS observa por primera vez una nueva excitación del barión Xi(b) neutro (formado por los quarks b, s y u)

Hay noticias importantes en física de partículas que seguramente no rellenan los titulares de los medios pero que en este blog no podemos olvidar. El descubrimiento de una nueva resonancia de un barión (formado por tres quarks) es muy importante a la hora de realizar estudios de precisión del modelo estándar. El experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, tras analizar 5,3 /fb de colisiones a 7 TeV durante 2011 ha descubierto con una significación estadística de 5 sigmas un nuevo estado excitado de un barión usb llamado Ξ^*_b⁰, cuya masa es 5945,0 ± 2,8 MeV. El estado fundamental del barión neutro Ξ_b⁰, formado por un quark fondo (b), uno extraño (s) y uno arriba (u), ya había sido observado, pero la teoría predice múltiples estados excitados. El primero en ser observado es Ξ^*_b⁰ (con J^P=3/2⁺) que se ha resistido a su detección porque decae muy rápidamente en partículas más ligeras (una cascada con un protón, dos muones y tres piones).  No es fácil relatar el alarde técnico que requiere realizar esta detección en las colisiones protón contra protón en el LHC. Más información en “Observation of a new Xi_b beauty particle,” CMS News, siendo el artículo técnico CMS Collaboration, ”Observation of an excited Xi(b) baryon,” Submitted on 26 Apr. 2012, arXiv:1204.5955.

PS (28 abr. 2012): Recomiendo leer a Matt Strassler, “CMS Finds a New (Expected, Composite) Particle,” OPS, April 27, 2012, quien discute en detalle la diferencia entre encontrar una nueva partícula “elemental” y confirmar la existencia de una partícula “compuesta” (en este caso, un barión, una partícula similar a un protón, compuesta de quarks).

Se refuerza la señal del Higgs observada en ATLAS y CMS del LHC en el CERN

Hoy se han hecho público los artículos técnicos de ATLAS y CMS para la búsqueda del Higgs en el LHC con los datos de 2011 (que fueron presentados de forma preliminar en una rueda de prensa en diciembre). La señal de un Higgs a 125 GeV se refuerza en CMS, pasando de 2,5 σ a 3,1 σ y en ATLAS, alcanzando 4,3 σ. Esta confianza estadística local apunta a que hay una probabilidad del 99,996% de que el Higgs exista y tenga dicha masa. Aún así, todavía es pronto para asegurar algo con rotundidad y habrá que esperar a marzo, como pronto, cuando se publique el resultado combinado ATLAS+CMS; todo apunta a un nuevo refuerzo de la señal. Si el LHC logra recabar 5 /fb de datos de colisiones en 2012 para principios de junio y dichos datos refuerzan aún más la señal observada hasta ahora, a finales de este verano podríamos estar ante la noticia del descubrimiento del Higgs. Aún así, todavía es pronto para cantar victoria. Los artículos técnicos con ATLAS Collaboration, “Combined search for the Standard Model Higgs boson using up to 4.9 fb−1 of pp collision data at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector at the LHC,” CERN-PH-EP-2012-019, 07 Feb. 2012 [PDF], y  CMS Collaboration, “Combined results of searches for the standard model Higgs boson in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” CMS-HIG-11-032-004, 07 Feb. 2012 [PDF]. Me he enterado gracias a Geoffrey Brumfiel, “Higgs signal gains strength,” Nature News Blog, 07 Feb 2012. También puedes la noticia en “Update: Higgs search papers submitted for publication,” ATLAS News, 7 February 2012, y “CMS Higgs boson search results from 2010-2011 data samples,” CMS News, 7 February 2012.

El nuevo resultado combinado de ATLAS (cuya figura más interesante abre esta entrada) utiliza, según el canal, entre 1,04 /fb y 4,9 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. La interpretación de los datos requiere considerar una hipótesis. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs no existe, el análisis de ATLAS reafirma esta hipótesis al 95% de nivel de confianza (CL) en el intervalo de masas entre 124 y 519 GeV. Si la hipótesis es que el bosón de Higgs existe, el análisis de ATLAS descarta con una confianza del 95% que tenga una masa entre 112,9 y 115,5 GeV (mejorando el resultado de LEP2 que indicaba que el Higgs tenía una masa superior a 114,4 GeV), entre 131 y 238 GeV y entre 251 y 466 GeV; en la práctica este resultado indica que si existe el bosón tiene una masa entre 115,5 y 131 GeV. El valor más probable para la masa del Higgs es de unos 126 GeV con una significación local de 3,5 desviaciones estándares (σ). Como el intervalo de masas estudiado es muy grande, entre 110 y 600 GeV, la probabilidad que una fluctuación sea responsable del exceso observado es muy alta, reduciendo la significación estadística global a solo 2,2 σ (hay una probabilidad de ∼ 1,4 % de que el resultado observado por ATLAS sea una fluctuación estadística).

El nuevo resultado combinado de CMS utiliza, según el canal, entre 4,6 /fb y 4,8 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV. CMS ha estudiado más canales de desintegración del Higgs que ATLAS por lo que su sensibilidad es mucho mayor; con los datos estudiados, CMS se espera que excluyera al bosón de Higgs, si no existe, entre 118 y 543 GeV con una confianza del 95% CL. El resultado observado solo excluye el Higgs en el intervalo de masas entre 127 y 600 GeV al 95% CL y en el intervalo entre 129 y 525 GeV al 99% CL. Se observa un exceso de eventos de baja masa que es responsable de que no se haya podido excluir el intervalo entre 118 y 127 GeV. El exceso mayor se observa para una masa de 124 GeV, con una significación local mayor de 3,1 σ, pero solo de 1,5 σ en el intervalo entre 110 y 600 GeV; por supuesto, los tests de precisión del modelo estándar apuntan a una masa para el Higgs menor de 145 GeV, por lo que considerar un intervalo tan grande es poco realista; la significación estadística global en el intervalo entre 110 y 145 GeV se estima en unos 2,1 σ.

Combinando los intervalos de exclusión de CMS y ATLAS se observa que el Higgs (si existe, una coletilla que hay que poner aunque resulte pesado) tiene que tener una masa entre 118 y 127 GeV con una confianza estadística de al menos el 95% CL. El exceso alrededor de 124-126 GeV tiene que ser confirmado con el análisis de más datos. Por un lado, la combinación oficial de los datos de CMS y ATLAS que se publicará en marzo debería reforzar aún más esta señal. Los datos finales del Tevatrón, que deberían publicarse como muy tarde antes del verano, también deberían reforzar esta señal. Pero todavía es pronto, para poder afirmar con rotundidad que el bosón de Higgs habrá que esperar al análisis de al menos 5 /fb de datos de colisiones en 2012 tanto para CMS como para ATLAS. Ahora mismo se está discutiendo el futuro del LHC durante 2012. Uno de los objetivos clave será obtener al menos 5 /fb para principios de junio de 2012, con lo que a finales de agosto se podría publicar su análisis, que debería confirmar (o refutar) de forma definitiva la existencia de un Higgs con 125 GeV. Este año promete ser apasionante para el Higgs.

La agenda para el LHC en 2012 se está debatiendo en Chamonix 2012, el “LHC Performance Workshop.” La decisión final aún no está tomada. No se sabe si las colisiones serán a 7 TeV o a 8 TeV, siendo la diferencia más importante que la energía máxima almacenada en la máquina será de 124 MJ o de 142 MJ (megajulios); los responsables de la máquina creen que es seguro este incremento de energía (por ejemplo en esta charla), pero la decisión no debe ser tomada a la ligera y depende de los resultados de los análisis de las soldaduras defectuosas (que fueron críticas en el accidente de 2009 y que serán reparadas en 2013). La charla en Chamonix sobre estas soldaduras es esperanzadora y afirma con rotundidad que las colisiones a 8 TeV serán seguras si no se prolongan más allá de 8 meses (solo son un poco más inseguras que a 7 TeV).

Otra cuestión importante es si se lanzarán los paquetes de protones cada 50 ns o cada 25 ns, aunque parece claro que si se trabaja a 8 TeV se utilizará la opción de 50 ns; de hecho varias charlas en Chamonix se oponen a la opción de trabajar a 25 ns (por ejemplo ésta). Para el año 2012 parece razonable esperar que se acumulen unos 15 /fb de colisiones (que si hay suerte y todo funciona a las mil maravillas como en 2011 podrían llegar a 20 /fb). Con 15 /fb de colisiones se podrá excluir un Higgs a 5 sigma en todo el rango de masas entre 115 y 600 GeV, y caso de que se confirmara la señal de un Higgs de unos 125 GeV se podrían empezar a estudiar sus propiedades con objeto de determinar si corresponden al bosón de Higgs del modelo estándar o a alguno de sus primos.

PS: Más información en “Los últimos análisis de ATLAS y CMS sobre la búsqueda del Higgs en el LHC, listos para su publicación,” CPAN Ingenio, 7 febrero 2012.

PS (8 feb. 2012): Merece la pena leer a Matt Strassler, “Some Higgs News NOW,” Of Particular Significance, Feb. 7, 2012. Destaca que el artículo de CMS actualiza los resultados preliminares publicados en diciembre para el canal difotónico y muestra un exceso para un Higgs con una masa de 124 GeV/c² consistente con la existencia de un Higgs con dicha masa (se han observado 7 eventos con esta masa cuando se esperaban solo 2 si el Higgs no existe; los resultados preliminares de diciembre eran menos completos y mostraban un resultado mucho menos claro). Como bien dice Matt los resultados definitivos (enviados a publicación) mejoran solo un poco lo ya publicado en diciembre pero lo mejoran en el sentido de hacer más compatibles entre sí los resultados de CMS y ATLAS, lo que es una gran noticia para un Higgs con una masa entre 124 y 126 GeV.

También merece la pena leer a Tommaso Dorigo, “ATLAS And CMS Publish 2011 Higgs Results,” A Quantum Diaries Survivor, Feb. 7th, 2012. Destaca que el acuerdo entre los dos experimentos (CMS y ATLAS) es impresionante (“I find the agreement of the two experimental searches impressive”) lo que apunta a que se está observando el bosón de Higgs y que el intervalo más probable para su masa es 124-126 GeV, aunque un ajuste a ojo (“eyeballing”) las gráficas apuntan a un valor alrededor de 121 ± 5 GeV con una límite de confianza del 95% (calculado con el ojo de Tommaso que es un experto en estas lides).

Si aún quieres más, también puedes leer a:

Lubos Motl, “Higgs signal grew from 3.8 to 4.3 sigma,” The Reference Frame, Feb. 8, 2012.

Peter Woit, “Latest from the LHC,” Not Even Wrong, Feb. 7, 2012.

Jester, “Higgs: stronger and more exciting,” Résonaances, Feb. 8, 2012.

PS (9 feb. 2012): Merece la pena leer la entrada de Matt Strassler, “This Week’s Step Forward in the Search for the Higgs Particle,” Of Particular Significance, Feb. 9, 2012.

El Higgs y el cabreo

En las III Jornadas CPAN estuve hablando con una autoridad española en CMS sobre Tommaso Dorigo (miembro de CMS y famoso bloguero al que han tenido que tirar de las orejas varias veces). Traté de defender a Tommaso porque considero que su labor de divulgación es muy importante, pero me dijeron que solo busca fama personal y que no hay manera de que entre en sus trece; debe tener rojas las orejas, pero él sigue y sigue… cual conejito de Duracell. No hubo manera de que salieran palabras bonitas sobre Tommaso. Traté de convencerle de que Tommaso ha cambiado y de que ahora está más moderado, pero me dijo que no, que seguía como siempre y que seguiría metiendo la pata, siempre en la cuerda floja… Y ahora me encuentro con esto, Tommaso Dorigo, “Fundamental Glossary For The Higgs Broadcast,” A Quantum Diaries Survivor, Dec. 9th 2011. Que para más inri destaca en titulares Lubos Motl, “Higgs mass: 124.6 GeV CMS, 126 GeV ATLAS,” TRF, Dec. 9th 2011, a lo que contesta Tommaso por la tangente en ”How Wrong Can Lubos Be ?,” QDS, Dec. 9th 2011.

Como todos ya sabéis, pues la blogosfera y los medios hierven con la noticia, el próximo martes 13 se anunciarán los nuevos límites de exclusión del Higgs obtenidos por ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del LHC. Los rumores apuntan a una señal a 3 sigma en ATLAS de un Higgs con 126 GeV y de una señal a 2,5 sigma en CMS de un Higgs con 125 GeV, ambas en el canal difotónico, la desintegración de un Higgs en dos fotones. Son rumores y los rumores, rumores son. Estas señales no indican nada de nada, salvo que haya señales parecidas en otros canales de desintegración (entre otras cosas porque el Tevatrón tendría que haber observado algo y no ha observado nada). Estas señales son humo, pero a la blogosfera y a los medios sensacionalistas les encantan estas señales de humo.

Al grano. Y ahora viene Tommaso y le echa más leña al fuego. Hablando del Higgs como de pasada deja caer que la señal de CMS en el canal difotónico corresponde a dos fotones con una energía de 62,3 GeV. Como lo lees. En lugar de hacer lo que todo el mundo hubiera hecho, dividir por dos los 125 del rumor y afirmar que cada fotón tiene una energía de 62,5 GeV, va y suelta como si nada que tienen una energía de 62,3 GeV. Aunque se haya inventado el número, todo el mundo en la blogosfera interpreta que está filtrando información privilegiada, información confidencial de la colaboración CMS que ve la luz gracias a Tommaso, el miembro pródigo de CMS. Aunque sea mentira y se haya inventado el número, mucha gente en CMS debe  estar que trina. Y lo peor es que con razón. Tommaso, Tommaso, … controla un poco los impulsos (digo los posts), que no cuesta nada.

Por cierto, es obvio que el número 62,3 GeV se lo ha inventado Tommaso y que no está desvelando ninguna información confidencial. Es obvio, pero causa mucho daño a mucha gente este tipo de desvelos en el baile de los siete velos del Higgs… Comprendo que haya gente que se sienta herida con estos deslices de Tommaso. ¡Con lo fácil que es hacerlo como es debido!

Neutrinos superlumínicos en Madrid gracias a Sheldon Lee Glashow, Premio Nobel de Física 1979, el próximo sábado 17 de diciembre

Todo aficionado a la física de partículas que se encuentre en Madrid el sábado 17 de diciembre tiene una cita obligada en la sede de la Fundación BBVA en Paseo de Recoletos, 10. El aforo es limitado y es imprescindible confirmar la asistencia antes del día 16 de diciembre por e-mail (confirmaciones@bbva.es) o llamando al teléfono 91 374 5400. No te la pierdas (se ofrecerá traducción simultánea para los que no dominen el inglés). Yo no podré asistir a la conferencia, una pena. El anuncio me lo dijo Mario Herrero Valea (@Fooly_Cooly) en Twitter y me lo volvió a recordar el mismísimo Luis E. Ibáñez (Universidad Autónoma de Madrid) en un comentario en este blog: “Con ocasión de la inauguración del nuevo edificio del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC en Madrid, la semana que viene llegará a Madrid Albert De Roeck, “deputy spokesman” (número 2) del experimento CMS del LHC, uno de los dos detectores más grandes del LHC. El sábado 17 por la mañana habrá unas conferencias en la Fundación BBVA en el Paseo de Recoletos en las que De Roeck contará para el publico en general las últimas novedades del acelerador LHC (incluyendo, según nos ha dicho, el status de la búsqueda del Higgs). Habrá también otra charla del Premio Nobel Sheldon Glashow, que hablará de neutrinos, incluyendo los resultados del experimento OPERA.” Más información en la web del IFT, incluyendo programa y póster de la actividad.

Sheldon Lee Glashow, Premio Nobel de Física en 1979 por ser el padre de la teoría de la unificación electrodébil (premio que recibió junto a Steven Weinberg y Abdus Salam) hablará de neutrinos y de su reciente artículo en PRL junto a Cohen donde propone que los neutrinos muónicos superlumínicos pierden energía por una radiación de tipo Cherenkov. Seguro que todos los asistentes disfrutarán. Aprovechando la ocasión, os resumo la historia de la teoría electrodébil que nos contó en su conferencia Nobel, que espero os anime a asistir a la conferencia.

Bludman propusto en 1958 usar una teoría gauge de tipo Yang-Mills basada en el grupo SU(2) para explicar la interacción débil que predice las corrientes neutras, pero esta teoría no es renormalizable. Schwinger le propuso en 1956 a Glashow, como idea para su tesis doctoral, estudiar mediante una teoría gauge la unificación de la interacciones débil y electromagnética. Como escribe Glashow en su tesis doctoral de 1958, dirigida por Schwinger, la unificación electrodébil podría conducir a una teoría renormalizable. Sin embargo, en su tesis Glashow descubrió que una teoría gauge basada en SU(2) no podría realizar esta unificación pues era incompatible con los experimentos (las corrientes neutras modeladas por el grupo SU(2) no corresponden al fotón). Glashow concluyó que había que extender el grupo de simetrías.

Salam y Ward propusieron en 1959 una teoría gauge para la unificación electrodébil, pero que no incorporaba la violación de la paridad de la interacción débil; en esta teoría las corrientes neutras predichas por Bludman se interpretaban como el electromagnetismo. La teoría tampoco era renormalizable. En 1960 Salam y Ward extendieron su teoría gauge al grupo SU(2)xU(1), pero sin violación de la paridad. En paralelo, mientras estaba en Conpenhague, Glashow propuso en 1960 una teoría gauge SU(2)xU(1) para la unificación electrodébil con violación de la paridad. La teoría de Glashow predecía dos corrientes neutras, las mediadas por el fotón y las mediadas por una partícula con masa (que llamó mesón neutro B, pero que ahora se llama bosón vectorial Z). Glashow buscaba una teoría renormalizable, pero sus cálculos indicaban que su teoría no lo era, aún faltaba una pieza clave. Quizás, unificando esta teoría con la interacción fuerte se pudiera lograr la renormalizabilidad. Salam y Ward extendieron su teoría en 1961 a un grupo SU(2)xSU(2) que incorporaba tanto la interacción fuerte, como la débil y la electromagnética. Tampoco era renormalizable.

Glashow trabajó intensamente en la renormalizabilidad de su teoría durante varios años pero no logró encontrar la pieza que faltaba, la ruptura de la simetría. La masa de las partículas en su teoría no podía introducirse a mano, tenía que aparecer gracias a una ruptura espontánea de la simetría. Glashow recuerda que mantuvo muchas conversaciones en 1960 con Goldstone y Higgs, pero que le sirvieron de poco. Las piezas del puzzle no parecían encajar. La extensión del trabajo de Goldstone sobre la ruptura de la simetría en teorías gauge, realizada entre otros por Higgs en 1964, parecía que no tenía nada que ver con la teoría electrodébil de Glashow y con su renormalizabilidad. En 1967, de forma independiente, Salam y Weinberg incorporaron el mecanismo de Higgs de ruptura espontánea de la simetría a la teoría electrodébil de Glashow. Ambos conjeturaron que quizás con esta adición la teoría sería renormalizable. Sin embargo, estos trabajos pasaron completamente desapercibidos para la mayoría de los especialistas ya que nadie confiaba en que una teoría “tan complicada” fuera renormalizable. En 1970, Iliopoulos y Glashow observaron que ciertas divergencias se cancelaban en la teoría de Salam y Weinberg, pero Glashow confiera que los cálculos eran agotadores. En paralelo, Veltman le propuso a uno de sus estudiantes, ‘t Hooft, que estudiara la renormalizabilidad de esta teoría mediante una nueva técnica llamada regularización dimensional (desarrollada originalmente con la idea de estudiar la renormalizabilidad de la gravedad cuántica con un gravitón masivo). El resultado fue espectacular y en 1971 se descubrió que la teoría electrodébil de Glashow, Salam y Weinberg era renormalizable. El descubrimiento de las corrientes débiles neutras (o sea, el descubrimiento indirecto del bosón Z) puso a Glashow en el camino del Premio Nobel. El Modelo Estándar en su forma actual nació en 1973 y maduró durante la década de los 1970. La década prodigiosa de la física de partículas experimental en la que se descubrieron los quarks, la existencia de tres generaciones de partículas y muchas otras evidencias de la validez del Modelo Estándar. El culmen de la década fue el Premio Nobel de Física 1979 dividido a partes iguales entre Glashow, Salam y Weinberg.

Escuchar a Glashow hablar de neutrinos será todo un placer. Si puedes disfrutarlo, no te lo pierdas. Además, Albert de Roeck, la guinda del pastel, tampoco defraudará.

Qué ha pasado con la señal supersimétrica observada por el experimento CMS del LHC en el CERN

“Confutatis maledictis, ammis acribus addictis, voca me cum benedictus.” Misa de Réquiem en Re menor, K. 626, de Wolfgang Amadeus Mozart. Curiosidad: en el cementario de Bilbao, aparece escrito sobre los capiteles de la columnata de la galería.

Traducción al español: ”Rechazados los malditos, entregados a las crueles llamas, llámame a los benditos.”

Traducción libre al inglés de Mike Peskin: “Thousands of theory papers are being tossed into the furnace. Please, Lord, not mine!“

La noticia hierve en muchos foros, el experimento CMS del LHC en el CERN ha encontrado lo que podría ser la primera señal de la supersimetría. Un pequeño exceso de eventos (colisiones) que presentan tres leptones y un evento que presenta cuatro leptones. Sorprendente. El LHC es un colisionador de hadrones y este tipo de eventos con muchos leptones son muy raros (muy poco probables). La supersimetría predice un incremento en el número de estos eventos, de ahí que la señal observada haya llamado la atención de mucha gente. Pero el otro gran experimento del LHC, llamado ATLAS, no ha observado ningún exceso en eventos con tres leptones, ni tampoco ningún evento con cuatro. Por ahora la estadística (número de colisiones) es baja y hay que acumular muchos más datos para confirmar o refutar estas primeras señales. En mi opinión se trata de una simple fluctuación estadística sin mayor relevancia. Pero en la blogosfera, ya se sabe, no todo el mundo opina lo mismo (y está muy bien que así sea para los que queremos aprender y disfrutar de diferentes puntos de vista).

La señal se presentó el 19 de octubre en el “Workshop on Searches for Supersymmetry at the LHC” celebrado en el LBNL (web indico), en concreto en la charla de Fedor Ratnikov, “Searches for multi-lepton Production in CMS” (slides). He de confesar que cuando ojeé las charlas de esta conferencia pasé por encima de la de Ratnikov sin darle mayor importancia, máxime cuando él mismo afirmaba “Observed data are essentially consistent with background expectations, no smoking gun for new physics yet.” Además, la ojeé justo después de la de Katarzyna Pajchel, “Searches for multi-lepton Production in ATLAS” (slides) que no mostró ninguna evidencia de estas señales. También merece la pena ojear las transparencias de Richard C. Gary, “CMS searches for R-parity violating SUSY” (slides) que ofrecen más detalles sobre este tema.

Matt Strassler, bloguero de física de partículas que aunque lleva poco tiempo en la blogosfera ya es bastante famoso por sus opiniones, se hizo eco de esta señal en “Something Curious at the Large Hadron Collider,” Of Particular Significance, October 19, 2011, y en “A Second Look at the Curious CMS Events,” OPS, October 20, 2011; en su opinión esta señal es mucho más importante de lo que ha indicado Ratnikov (Strassler omite mencionar a Pajchel). Lubos Motl, “CMS sees SUSY-like trilepton excesses,” The Reference Frame, October 20, 2011, también se hizo eco de la noticia (Motl es un gran creyente en que la supersimetría será encontrada en el LHC). Como resultado muchos otros hicieron lo propio, como Adam Mann, “Hints of New Physics Crop Up at LHC,” Wired.com, October 21, 2011; ZapperZ, “A Lifeline for Supersymmetry?,” Physics and Physicists, October 22, 2011; etc. Incluso en este blog, uno de vosotros me preguntó sobre esta noticia. Pido perdón, no le contesté pensando en escribir una entrada para este fin de semana.

Ya se sabe lo que pasa con la bola de nieve cuando la dejamos rodar cuesta abajo por una ladera nevada. Strassler repite en su artículo en varias ocasiones que “el exceso observado probablemente desaparecerá.” Pero lo que está claro es que él ha puesto en marcha la bola de nieve. En mi opinión hay que ser escéptico con este resultado. Las señales con múltiples leptones son difíciles de observar y analizar, y las colisiones protón-protón en el LHC son muy complicadas con múltiples vértices primarios apilados (se han documentado pile-ups de hasta 20 colisiones simultáneas). Por ejemplo, Eva Halkiadakis, “Searches for New Physics at CMS” (slides) ha mostrado una figura obtenida solo con los datos de 2010 (muy poquitos, como es bien sabido) que también muestra un exceso en los eventos con tres leptones; Lubos Motl se ha hecho eco de ello en “CMS sees a trijet and nonajet excess, too,” TRF, October 22, 2011. Obviamente, la observación de estos eventos en 2010 es de poco valor estadístico. Pero Lubos además ha destacado un evento con nueve leptones, citando el artículo de Tianjun Li et al., “Has SUSY Gone Undetected in 9-jet Events? A Ten-Fold Enhancement in the LHC Signal Efficiency,” ArXiv, 25 Aug 2011, que apunta a que la SUSY incrementa el número esperado de estos eventos en un factor de diez. Para mí es muy difícil creer que estos eventos con nueve leptones sean el producto de un solo vértice primario. Al menos con las “pocas” colisiones acumuladas en el LHC hasta ahora.

Mi postura en este asunto es similar a la de Peter Woit, “The Status of SUSY,” Not Even Wrong, October 22, 2011. La cita del Réquiem de Mozart que abre esta entrada está extraída del artículo de Michael E. Peskin, “Summary of Lepton Photon 2011,” ArXiv, 17 Oct 2011, un artículo que merece la pena leer. Woit destaca las páginas 37 a 41 donde Peskin discute los resultados del LHC sobre la supersimetría. Para Peskin no tiene sentido pretender descubrir la supersimetría tras el análisis de solo el 0,1% de las colisiones que se acumulará en el LHC durante los próximos 15 años (se refiere al 1 /fb de colisiones, ahora mismo con 5 /fb será el 0,5%). Más aún, para Peskin es muy posible que las partículas supersimétricas sean tan masivas que estén fuera del alcance de las colisiones del LHC a solo 7 TeV c.m. Habrá que preocuparse por la supersimetría cuando se hayan acumulado unos 10 /fb de colisiones a 14 TeV c.m. (el LHC en los próximos 15 años acumulará unos 100 /fb de colisiones).

Yo no creo que la supersimetría vaya a ser un descubrimiento temprano del LHC. Pero espero equivocarme.

Por cierto, yo disfruté mucho con el libro de Michael E. Peskin y Dan V. Schroeder, “An Introduction To Quantum Field Theory,” 1995. Aún me trae buenos recuerdos.

Problemas criogénicos en el experimento CMS del LHC en el CERN, oficialmente ya resueltos

La inyección de haces estables más duradera en el LHC del CERN se logró ayer, fill #2000, estable durante 21:32 horas, aunque con problemas criogénicos en el experimento CMS. Con una luminosidad instantánea de 2 nb/s, ATLAS, el otro gran experimento del LHC, logró grabar en disco 90,4 /pb de colisiones. La noticia en el CERN sobre el fill #2000 aclara que CMS tuvo problemas en el sistema de refrigeración por agua que fueron resueltos sobre las 19:30 horas, por lo que no pudo tomar datos entre las 11:45 y las 02:30. Por ello, aunque el punto de colisión de CMS recibió unos 52,8 /pb de colisiones (como indica la figura que abre esta entrada), solo se pudo acumular en disco unos 25 /pb, algo es algo. Que yo sepa, oficialmente los problemas de CMS están resueltos. En las dos inyecciones siguientes, #2001 y #2002, ambas cortas, CMS no ha presentado nuevos problemas. Habrá que estar al tanto para futuras inyecciones largas, pues una figura como la que abre esta entrada (pero sin los problemas de CMS) debe ser el objetivo a lograr para el día ideal de colisiones en el LHC del CERN durante 2011. Lograr más de 100 /pb cada 24 horas en ATLAS y CMS es el objetivo a conseguir. Yo no tengo dudas que será conseguido pronto. Noticias diarias sobre el LHC. Philip Gibbs, “LHC delivers over 100/pb in 24 hours,” viXra log, también se hace eco del exitoso fill #2000 para ATLAS.

Más limpio que una patena: el evento más limpio observado en el experimento CMS del LHC en el CERN

Parece imposible observar un evento tan limpio en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN. La colisión de 2 protones ha producido dos fotones que se han desintegrado en un par de muones y nada más. Una colisión protón-protón en la que sólo se observan dos muones. Alucinante. Un evento más limpio que una patena. Basta comparar dicho evento de libro con el siguiente (un evento típico de los más normalito). Aclaración: Para los acostumbrados a tildar las noticias de sensalionistas, aclaro que esta lo es en el siguiente sentido. Este es el evento más limpio que yo he visto en una charla que discuta resultados de las colisiones del LHC en el CERN. Seguro que los físicos que trabajan allí habrán visto otros eventos similares. Para mí este es “el evento más limpio [que yo he visto que se haya] observado en el experimento CMS del LHC en el CERN.” Por cierto, he visto esta figura en la charla de A. Vilela Pereira (CMS Collaboration), “Forward physics results from CMS,” LISHEP 2011 (XI International School on High Energy Physics), Rio de Janeiro, Brasil, 4-10 July 2011. Sobre este tipo de eventos pero en CDF del Fermilab te recomiendo la charla de Mike Albrow (Fermilab), “Observation of Exclusive γγ Production in CDF (and other exclusive states),” idem.

Para entender mejor el evento que abre esta entrada quizás haya que presentar algunos diagramas de Feynman. Este evento corresponde al diagrama más a la izquierda de los mostrados abajo. Básicamente se trata de un evento QED puro (basta la electrodinámica cuántica para explicarlo sin necesidad de recurrir a la cromodinámica cuántica). Este tipo de evento no es raro, pero no suele aparecer tan limpio (suele venir acompañado de un apilado (pile-up) de varios eventos). El experimento CMS (recuerda que CMS son las siglas de Compact Muon Solenoid) tiene detectores especiales para detectar muones y en dicha colaboración se realizan análisis muy precisos de la producción de muones. Muchos de estos eventos, sobre todo los más energéticos (que son las más interesantes cuando se busca física más allá del modelo estándar), van acompañados de un chorro hadrónico (diagrama de Feynman central) o de dos chorros (diagrama de Feynman de la derecha). Dichos eventos con chorros son mucho menos limpios, como es de esperar.

En los 40 /pb (inversos de picobarn) de colisiones a 7 TeV c.m.  analizadas en CMS durante 2010 se ha aplicado un corte en la masa (relativista) de los dos muones (la energía cinética que tienen en su centro de masas común) de 11,5 GeV (los eventos que presentan dos muones con menor energía han sido descartados del análisis). El evento más energético observado tiene una masa total de 77 GeV/c². Las dos figuras que se muestran abajo muestran el resultado del análisis (la cuenta estadística) del número de eventos de este tipo (círculos rellenos con barra de error) comparado con las predicciones teóricas de las simulaciones de Montecarlo del modelo estándar. En amarillo aparecen los eventos sin chorros hadrónicos, más numerosos cuando el momento transversal de los muones es más pequeño y en dos tonos de verde los eventos que involucran uno y dos chorros hadrónicos. También aparecen en rojo eventos más raros en los que un protón produce un bosón Z y el otro protón un fotón, que más tarde colisionan produciendo un par de muones (pp→Z/γ+pp→μμ+pp). El resultado experimental es que la sección eficaz de producción total de un par de muones es de 3,38 pb (como muestra la figura con márgenes de error), es decir, que en 40 /pb de datos se han observado 3,38 * 40 = 135 eventos de este tipo. ¿Cuántos se observarán en las colisiones de 2011? A día de hoy, CMS ha acumulado 1181,3 /pb de datos en 2011, es decir, se espera observar en dichos datos unos 3993 eventos de este tipo (unas 30 veces más eventos que los mostrados en la figura de abajo). ¿Cuántos de esos eventos serán tan limpios como el evento que abre esta entrada? No lo sé, pero seguramente serán muy pocos (aunque ya sabe, también se pueden limpiar los datos experimentales para que queden más bonitos para los libros de texto, para eso está Photoshop).

Ahora mismo el LHC sigue con una parada técnica. Se espera que este jueves se reanuden las colisiones. Durante la parada técnica de la semana pasada se observaron ciertos pequeños problemas que han requerido visitar el túnel y realizar pequeños arreglos. Nada grave. Tras un par de inyecciones para calentar motores, se volverá a trabajar con 1380 paquetes de protones separados por 50 ns, aunque sólo se harán colisionar 1331 paquetes en los puntos de colisión donde se encuentran CMS y ATLAS. A partir de ahí se tratará de lograr el fin de semana que los 1380 paquetes colisionen en ambos detectores. El futuro del LHC en lo que queda de año se discutirá en el Mini Chamonix del 15 de julio.

Explicación de la primera figura de exclusión de masa para el bosón de Higgs con datos de 2011 del LHC en el CERN

Esta figura preliminar presenta la búsqueda del Higgs del modelo estándar en el canal H→ZZ, el más prometedor para un Higgs de gran masa, obtenida en la colaboración CMS del LHC en el CERN tras analizar entre 0,2 y 0,9 /fb de colisiones (según la masa). La figura excluye un Higgs con una masa entre 300 y 400 GeV/c², mostrando que el LHC del CERN permite explorar un rango de masas para el Higgs muy por encima del permitido por el Tevatrón del Fermilab. Más abajo explico esta figura en detalle, ya que dentro de un par de semanas se publicarán los primeros resultados oficiales sobre la búsqueda del bosón de Higgs con datos de colisiones de 2011 en el LHC del CERN que combinarán varios canales de búsqueda, así como los resultados combinados de los dos grandes experimentos del LHC, llamados ATLAS y CMS. Hasta entonces aparecerán en blogs y seminarios varios resultados  preliminares, como éste que ha aparecido en un seminario el 8 de julio y del que se ha hecho eco Philip Gibbs en “Higgs Exclusions at 900/pb,” viXra log, 9 July 2011. La figura muestra la gran ventaja del LHC sobre el Tevatrón para grandes valores de la masa, debido a sus colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en lugar de las colisiones protón-antiprotón a casi 2 TeV c.m. El otro gran experimento del LHC, ATLAS, publicará pronto una figura similar para el mismo canal. Se observan varios excesos por encima de 2 sigma alrededor de 114, 125 y 205 GeV/c² (más o menos, pues la escala horizontal logarítmica parece “estirada”), pero seguro que su origen son fluctuaciones estadísticas debido a que el número de colisiones analizado depende de la masa (de ahí que el intervalo de colisiones analizado sea tan amplio como de 0,2 a 0,9 /fb). Si no lo son, los resultados de ATLAS deberían presentar las mismas características. Aún así, algunos impacientes ya han especulado que se observan “señales” de múltiples bosones de Higgs, como los predichos por la supersimetría (ver Lubos Motl, “CMS after 0.9/fb: Higgs preferred at 115, 140, 205 GeV,” TRF, 9 July 2011).

Una explicación de la figura es de rigor para los que no estén familiarizados con este tipo de diagramas, que serán muy numerosos este verano (CDF, DZero, CDF+DZero, ATLAS, CMS, ATLAS+CMS, etc.). La figura considera uno de los canales de desintegración más prometedores en la búsqueda del bosón de Higgs del modelo estándar, la desintegración de un Higgs en un par de bosones débiles Z, es decir, H→ZZ; por encima de una masa de 200 GeV/c² es el canal de búsqueda preferido, pues aunque es algo menos probable que el canal H→WW, es mucho más fácil de distinguir respecto a los sucesos de fondo; de hecho, por encima de 130 GeV/c² también es un canal muy prometedor. Sólo para una masa muy baja, entre 114 y 125 GeV/c², el canal de búsqueda preferido es otro, la desintegración en dos fotones, H→γγ, muy poco probable pero muy fácil de indentificar. Hay muchos otros canales de desintegarción del Higgs y las figuras “buenas” son las que combinan muchos canales (a ser posible todos los observables) y muchos datos de colisiones (el mayor número de inversos de femtobarn (fb⁻¹, /fb o ifb) posibles).

Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice de forma unívoca su tasa de producción, el número exacto de bosones de Higgs que se producen en las colisiones protón-protón del LHC y cuántos de ellos se desintegran de cada manera posible (cada canal de desintegración). Esta figura indica el número de eventos tipo Higgs en el canal H→ZZ observados en el experimento CMS del LHC respecto al número de eventos de este tipo que se esperaría observar según la predicción teórica del modelo estándar. La figura muestra la sección eficaz de producción en dicho canal, más o menos, el número de eventos de este tipo que se observan en un detector de cierta área efectiva dividido entre el número total de eventos posibles. En esta figura un número 0,1 significa que cuando se espera observar 10 bosones de Higgs no se ha observado ninguno. Un valor de 10 significa que es necesario analizar 10 veces más colisiones de los disponibles para observar un bosón de Higgs, es decir, que se espera observar 0,1 bosones. Por tanto, los valores experimentales por debajo de la línea roja (colocada en un valor de 1) indican valores de la masa para los que habría que haber observado el Higgs y no ha sido observado, es decir, excluyen un Higgs con dicha masa. Los valores por encima de 1 indican que habrá que esperar al análisis de más colisiones. Por supuesto, estos resultados son estadísticos y puede haber fluctuaciones en estos resultados conforme se recaben más datos experimentales.

Más en detalle. Para un número dado de colisiones el modelo estándar predice la sección eficaz de producción de un canal de desintegración para el Higgs (la línea discontinua en la figura), que se puede comparar con el valor de la sección eficaz predicho por el modelo estándar, que en esta figura está normalizado a la unidad (línea horizontal roja). El análisis del número de los eventos candidatos a una desintegración concreta (en este caso la desintegración en dos bosones Z) corresponde a la línea continua negra con cuadraditos. Si esta línea está por debajo de la línea roja para cierta masa significa que habría que haber observado el bosón de Higgs con dicha masa y no se ha observado, por lo que se excluye (con una probabilidad del 95% C.L.) que el bosón de Higgs tenga dicha masa. Cuanto más baja esté la línea negra continua respecto a la línea roja más probable es que el Higgs no tenga dicha masa.

¿Por qué Lubos Motl especula que hay señales de bosones de Higgs supersimétricos en esta figura? La comparación entre la línea discontinua (predicción teórica para el bosón de Higgs del modelo estándar) y la línea continua con cuadraditos (resultado experimental observado) puede ser indicativo de posibles desviaciones respecto al modelo estándar, como las predichas por otras teorías como el modelo mímimo supersimétrico. La línea discontinua (predicción teórica) viene acompañada de una banda con colores de la bandera brasileña. La banda verde indica dispersiones dentro de una desviación estándar y la banda amarilla dentro de dos desviaciones estándares. Si la línea continua con cuadritas se desvía más de 3 desviaciones estándares respecto a la línea discontinua eso indica que podría haber algo más allá del modelo estándar (una señal de algo interesante). Si se desviara unas 5 desviaciones estándares sería un descubrimiento para Premio Nobel. En la figura aparecen desviaciones muy claras por encima de 2 sigma en la región entre 200 y 210 GeV/c², sin embargo, en mi opinión se trata de una fluctuación estadística y no hay que tocar las campanas aún. También aparecen otras pequeñas desviaciones de este tipo pero menos claras entre 100 y 200 GeV/c². Yo creo que parte de estas desviaciones se deben a que el número de datos analizado (entre 0,2 y 0,9 /fb) depende del intervalo de masas considerado y que por tanto los datos son aún muy provisionales.

En resumen, espero haber explicado bien la figura. Los que aún tengáis dudas podéis preguntar en los comentarios (no soy experto ni en fenomenología ni en estadística, pero me gustan ambos temas).

Por cierto, Don Lincoln, científico del Fermilab, trata de explicar lo que es el bosón de Higgs para todo el mundo en el siguiente vídeo de youtube. No está subtitulado al español aún, pero este vídeo me ha gustado.