Francis en Trending Ciencia: Mitos sobre el bosón de Higgs

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia. Permíteme una transcripción escrita del audio.

El año 2012 pasará a los anales de la historia de la física por el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra (el famoso LHC por sus siglas en inglés Large Hadron Collider). La única partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales que aún faltaba por encontrar permitirá estudiar el campo de Higgs, responsable de que haya partículas con masa, y las propiedades del universo cuando solo tenía una billonésima de segundo tras la gran explosión (el big bang). Además, muchos físicos creemos que la física del campo de Higgs podría ser una puerta hacia el descubrimiento de nuevas leyes físicas más allá del modelo estándar. Alrededor de la partícula de Higgs se han generado un gran número de mitos y malentendidos. Muchos físicos evitan ideas matemáticas y conceptos abstractos cayendo en analogías inadecuadas que en lugar de ayudar al profano solo le confunden más. En este podcast trataré de aclarar algunos de los mitos sobre el bosón de Higgs; no están todos, pero espero haber incluido los más comunes.

CDMS-II observa tres partículas tipo materia oscura con una masa de 8,6 GeV/c²

Los detectores de silicio del experimento de búsqueda directa de materia oscura CDMS-II (Colaboración SuperCDMS) ha observado 3 eventos candidatos, cuando se esperaban 0,7 eventos, lo que implica una señal a 3σ (99,8% CL) de una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 8,6 GeV/c² y una sección eficaz WIMP-nucleón de 1,9 × 10^-41 cm²; los detectores de germanio de este detector (menos sensibles a partículas de masa menor de 10 GeV/c²) observaron 2 eventos candidatos para un fondo esperado de 0,9 eventos en 2010.

El nuevo artículo técnico es CDMS Collaboration, “Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMS II,” arXiv:1304.4279, 15 Apr 2013 [CDMS-II preprint at Berkeley]; ver también CDMS Collaboration ”Silicon Detector Results from the First Five-Tower Run of CDMS II,” arXiv:1304.3706, 12 Apr 2013. Se han hecho eco de la noticia Kathryn Jepsen, “Cryogenic Dark Matter Search Adds New Intrigue with Latest Result,” SLAC News, Apr 15, 2013, y Dan Bauer, “Dark-matter search results from CDMS II silicon detectors,” Fermilab Today, Apr 15, 2013. Recomiendo también las charlas de Bernard Sadoulet, “The Search for Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter,” APS 2013 W.K.H Panofsky Prize, Apr 14, 2013 [slides], Blas Cabrera, “Cryogenic Particle Detectors in Search for Dark Matter,” Panofsky Prize presentation, APS April Meeting, Apr 14, 2013 [slides] y Kevin A. McCarthy (MIT, SuperCDMS & CDMS Coll.), “Dark Matter Search Results from the Silicon Detectors of the Cryogenic Dark Matter Search Experiment,” Apr 14, 2013 [slides].

El exceso de positrones de AMS-02 como señal de la materia oscura

Interpretar el exceso de positrones observado por AMS-02 (además de por PAMELA y Fermi) como una señal de la aniquilación de una partícula (χ) de materia oscura requiere utilizar ajustar un modelo de la desintegración (como χχ→μμ, o χχ→WW) y una composición “razonable” para la materia oscura galáctica. El número de parámetros libres es grande y se pueden realizar muchos ajustes fácilmente. Mientras no se observe una señal de corte clara en los datos de AMS-02, decidir entre diferentes modelos es imposible. Esta figura muestra un ajuste a la desintegración  χχ→μμ de una partícula de masa m(χ)=670 GeV, más allá de lo observable en el LHC (por el momento). Los detalles los podéis disfrutar en Joachim Kopp (MPIK Heidelberg), “Constraints on dark matter annihilation from AMS-02 results,” arXiv:1304.1184, 3 Apr 2012.

AMS-02 observa un exceso de positrones cuyo origen podría ser la materia oscura

Hoy, a las 17:00, Samuel Ting (Premio Nobel de Física en 1976), portavoz del equipo internacional de AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) ha anunciado que se ha observado un exceso en el flujo de positrones con energías entre 20 y 250 GeV. La explicación más obvia es que su origen es la aniquilación de materia oscura galáctica, aunque no se pueden descartar otras fuentes no identificadas. El nuevo resultado se publicará en la revista Physical Review Letters y se ha obtenido tras recopilar 25 mil millones de eventos durante un año y medio, de los que unos 400 mil son positrones con energías entre 0,5 y 350 GeV. No se observado ninguna oscilación del flujo de positrones con la época del año (la famosa oscilación DAMA/Libra). Nos lo adelanta iwishart, “CERN to make Dark Matter announcement,” InvestigateDaily, Apr 4, 2013 [NASA video press conference; CERN seminar Webcast].

PS: El artículo técnico ya ha aparecido en la web de PRL: AMS Collaboration (M. Aguilar et al.), “First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV,” Phys. Rev. Lett. 110: 141102, Apr 3, 2013 [PDF gratis]. También ha aparecido un interesante artículo Stephane Coutu, “Viewpoint: Positrons Galore,” Physics 6: 40, Apr 3, 2013, cuya lectura recomiendo encarecidamente.

Los antiprotones de ATRAP (CERN) y la simetría CPT

La Trampa de Antihidrógeno (ATRAP) es un pequeño experimento en el CERN cuyo objetivo es comparar la antimateria con la materia, en concreto, átomos de antihidrógeno (formados por un antiprotón y un positrón, o antielectrón) con átomos de hidrógeno (formados por un protón y un electrón). Acaban de publicar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, 2,792847356(23) veces el magnetón nuclear, que coincide con el del protón en al mentos cinco partes por millón (0,0005%), una nueva medida (directa) de la invarianza CPT [wiki]. Bajo condiciones muy generales, toda teoría cuántica de campos cumple el teorema CPT (aunque puede violar por separado las simetrías C, P, T, CP, etc.). La simetría CPT se puede verificar en los experimentos comparando las propiedades de las partículas y de las antipartículas, por ejemplo, la masa y la carga del protón y del antiprotón tienen que ser idénticas (son parámetros asociados al campo (en su conjunto) y no a las “componentes” del campo). La medida más precisa de la invarianza CPT corresponde al cociente de la masa entre la carga para el protón (p) y el antiprotón (pbar); sea κ=m/q, se midió en 1999 que κ(p)/κ(pbar) = (1 ± 9) × 10⁻¹¹. Ello no quita interés a la nueva medida, pues la simetría CPT ha de ser verificada en cada uno de los posibles parámetros alcanzables por los experimentos. El artículo técnico es ATRAP Collaboration, “One-Particle Measurement of the Antiproton Magnetic Moment,” Phys. Rev. Lett. 110: 130801 (2013) [arXiv:1301.6310]. Se han hecho eco en Eric R. Hudson, David Saltzberg, “Viewpoint: Antiprotons Reflect a Magnetic Symmetry,” Physics 6: 36 (2013); y en Lubos Motl, “Antiprotons obey CPT within 5 ppm,” TRF, Mar 29, 2013. Por cierto, el artículo de 1999 es G. Gabrielse, A. Khabbaz, D. S. Hall, “Precision Mass Spectroscopy of the Antiproton and Proton Using Simultaneously Trapped Particles,” Physical Review Letters 82: 3198-3201, 1999 [pdf gratis].

Varias noticias recientes sobre física de partículas que tienes que conocer

Posible observación de un hadrón exótico. BESIII, el colisionador electrón-positrón de Pekín, China, ha observado una resonancia hadrónica con una masa de (3899,0 ± 3,6 ± 4,9) MeV/c² y una anchura de (46 ± 10 ± 20) MeV, en 525 /pb de datos de colisiones que muestran desintegraciones de tipo e⁺ e⁻ → π^± Zc(3900)^∓ → π⁺ π⁻ J/ψ, con una energía en el centro de masas de 4,26 GeV. BESIII ha sido ajustado para producir la resonancia Y(4260), un hadrón exótico que fue “descubierto” por BaBar en 2005, pero cuya interpretación como hadrón exótico aún no está aceptada por toda la comunidad; recuerda que a los hadrones exóticos se les llama con las letras X/Y/Z. La gran ventaja de BESIII en estos estudios es que puede ajustar la energía en el centro de masas para la producción de una resonancia concreta. La nueva resonancia Zc(3900) aparece en la desintegración de Y(4260). Para los físicos ha sido toda una sorpresa que tenga carga eléctrica. ¿Qué puede ser la nueva resonancia? Podría ser un estado tipo charmonium híbrido, un tetraquark (ccud), una molécula de dos mesones, o incluso algo más exótico, pero por ahora no se puede descartar que se trate de un artefacto de la QCD. Por cierto, BaBar (2007) y Belle (2008) ya observaron una señal de un posible hadrón exótico con una masa similar al que llamaron G(3900). La señal observada por BESIII es muy fuerte, según los autores supera los 8 sigmas. Por supuesto, la interpretación como hadrón exótico dará bastante que hablar en los próximos meses. El artículo técnico es BESIII Collaboration, “Observation of a charged charmoniumlike structure in e+e- to pi+pi-J/psi at \sqrt{s}=4.26 GeV,” arXiv:1303.5949, 24 Mar 2013. Más información sobre la noticia en “Observation of a charged charmoniumlike structure at BESIII,” BESIII News, 26 Mar 2013.

OPERA ha observado su tercer neutrino tau. La colaboración OPERA (unos 140 físicos de 11 países), situada en el Laboratorio de Gran Sasso del INFN (Italia), famosa por un cable mal conectado, ha observado su tercer neutrino tau. El experimento CNGS (CERN to Gran Sasso) envía chorros de neutrinos muónicos hacia varios experimentos en Gran Sasso y OPERA está especializado en medir los neutrinos tau, es decir, la aparición de un neutrino tau por oscilación de un neutrino muónico durante el viaje de 730 km entre el CERN y Gran Sasso. Ya no toma más datos (CNGS ya no funciona), pero se están analizando los datos ya recabados desde 2009 (en colaboraciones como OPERA el análisis de datos es el cuello de botella y no se finalizará hasta mediados 2014). En 2010 y 2012 se obervaron los dos neutrinos tau anteriores y se espera observar otros dos más (unos cinco tras el análisis de todos los datos). El anuncio oficial de la noticia en “OPERA observed a third neutrino tau,” INFN News, 26 Mar 2013; también recomiendo leer a Kathryn Jepsen, “OPERA snags third tau neutrino,” Symmetry Breaking, Mar 26, 2013. También puedes leer “Rare find backs shape-shifting neutrino,” PhysOrg.com, Mar 27, 2013.

La cámara de energía oscura DECam (Dark Energy Camera) es una cámara CCD de 570 megapíxeles (la mayor cámara digital del mundo) que cubre un área de 3 grados cuadrados de cielo (la Luna llena ocupa medio grado cuadrado de cielo). Fue instalada en noviembre pasado en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo, Chile. Forma parte de DES (Dark Energy Survey), un proyecto que se iniciará de forma oficial en septiembre de 2013 cuyo objetivo es obtener en 525 noches de observación (distribuidas en cinco años) un mapa de la distribución de la energía oscura en el universo. DES estudiará unos 200 millones de galaxias y medirá la curva de luminosidad de unas 4000 supernovas de tipo Ia (de ahí que se diga que es un telescopio de energía oscura). DES también estudiará cúmulos galáctivos, las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y los efectos de lentes gravitatorias débiles. Mientras no funciona para el proyecto DES, la cámara DECam es usada para otro tipo de observaciones (búsqueda de asteroides, estudios de galaxias, etc.), como nos cuenta Andre Salles, “Astronomers give Dark Energy Camera rave reviews,” Symmetry, March 27, 2013.

La búsqueda de las impartículas

El modelo estándar de la física de partículas describe el universo como campos cuánticos en interacción. Numerosas extensiones teóricas predicen la existencia de interacciones espín-espín de largo alcance mediadas por impartículas o por bosones axiales de espín uno. Hunter et al. han propuesto en Science usar la Tierra como fuente de espines polarizados en interacción para determinar los límites máximos a estas interacciones. Resultados geoquímicos y geofísicos recientes, junto a medidas realizadas en tres laboratorios, les permiten estimar la señal que se espera poder medir en el campo de los geoelectrones polarizados en espín del manto de la Tierra (los espines corresponden a los electrones de los minerales que contienen hierro en el manto). Estudiar cómo cambian las interacciones espín-espín conforme cambian la posición geográfica y la orientación del aparato de medida permitirá obtener límites superiores mucho más bajos que los que permiten los experimentos en laboratorio actuales para estas interacciones espín-espín exóticas. El artículo técnico es Larry Hunter, Joel Gordon, Stephen Peck, Daniel Ang, Jung-Fu Lin, “Using the Earth as a Polarized Electron Source to Search for Long-Range Spin-Spin Interactions,” Science 339: 928-932, 22 Feb 2013.

Nota dominical: La “bola de cristal” que descubrió el bosón de Higgs en 1984

El detector “Bola de Cristal” instalado en el anillo DORIS de DESY descubrió a principios de 1984, con más de 5 sigmas, un bosón de Higgs con una masa de 8,32 GeV/c² gracias a la desintegración de la partícula úpsilon en fotones; en concreto, con 4,2 sigmas tras analizar 10,7 /pb (inversos de picobarn) de eventos de desintegración de la partícula Υ(1S)→γH, y con 3,3 sigmas tras analizar 64,5 /pb de eventos de desintegración de la partícula Υ(2S)→γH. La señal presentaba un exceso (μ=2) respecto a las predicciones del modelo estándar, lo que hizo que muchos teóricos buscaran de forma urgente una explicación. La señal no fue confirmada por CESR en Cornell. A finales de 1984, cuando DORIS acumuló más colisiones, la señal despareció. Todo quedó en una falsa alarma. ¡¡Una falsa alarma de 5 sigmas!! Para los curiosos, el artículo es Crystal Ball Collaboration, “Evidence for a Narrow Massive State in the Radiative Decay8 of the Upsilon,” SLAC-PUB-3380, DESY 84-064, July 1984.

Muchos físicos teóricos trataron de entender el exceso respecto al modelo estándar, como S.L. Glashow, M. Machacek, “Can ζ (8.3 GeV) be one of two Higgs bosons,” Physics Letters B 145: 302–304, 20 Sep 1984; Howard E. Haber, G.L. Kane, “Implications of a Higgs interpretation of the ζ(8.3),” Nuclear Physics B 250: 716–728, 1985; Michael Shin, Howard Georgi, Minos Axenides, “ζ(8.3 GEV) as the lightest scalar in a three-Higgs-doublet model,” Nuclear Physics B 253: 205–215, 1985; James Pantaleone, Michael E. Peskin, S.-H.Henry Tye, “Bound-state effects in ϒ→γ+ resonance,” Physics Letters B 149: 225–233, 13 December 1984; etc.

Más información sobre la historia de la búsqueda del Higgs en Sau Lan Wu (Univ. Wisconsin-Madison), “Historic review of Higgs searches. The long road to the Higgs discovery,” Higgs Quo Vadis, Aspen Center for Physics, 10-15 March, 2013 [slides pptx].

Ya hay explicación del que fue el primer descubrimiento científico del LHC

El 21 de septiembre de 2010 la colaboración CMS hizo publico el primer descubrimiento científico del LHC en el CERN, la existencia de correlaciones inesperadas en la dirección azimutal Δϕ en los sucesos de alta multiplicidad observados en colisiones protón contra protón (p-p) a 7 TeV c.m. (el famoso “ridge” o “cresta” que se observa muy bien para alta pseudorapidez Δη; hoy sabemos que hay una doble “cresta”). El fenómeno fue observado también por ATLAS y ALICE, y en colisiones ión contra ión (Pb-Pb) y protón contra ión (p-Pb); de hecho, hoy se sabe que RHIC observó su existencia en colisiones d-Au y Au-Au en 2004 y 2006, pero en su momento pasó desapercibido. Durante 2012 se han barajado varias explicaciones, pero parece que la más convincente es la ofrecida por los físicos Kevin Dusling y Raju Venugopalan de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), EEUU. El origen de la “cresta” es una forma sutil de la interferencia cuántica, un estado condensado de color (color glass condensate) predicho en 2002. Más información técnica para físicos en la interesante charla de Kevin Dusling (North Carolina State University), “Long-range angular correlations by strong color fields in hadronic collisions,” Rencontres de Moriond QCD, Mar 15, 2013 [slides].

La explicación para colisiones p-p se presentó en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Evidence for BFKL and saturation dynamics from di-hadron spectra at the LHC,” arXiv:1210.3890, 15 Oct 2012, para colisiones p-Pb en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Explanation of systematics of CMS p+Pb high multiplicity di-hadron data at $\sqrt{s}_{\rm NN} = 5.02$ TeV,” arXiv:1211.3701, 15 Nov 2012, y finalmente la confirmación definitiva en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Comparison of the Color Glass Condensate to di-hadron correlations in proton-proton and proton-nucleus collisions,” arXiv:1302.7018, 27 Feb 2013. La observación original en CMS Collaboration, “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC,” JHEP 1009: 091, 2010 [arXiv:1009.4122].

BaBar observa un exceso de 3,4 sigmas en ciertas desintegraciones de mesones B

En el modelo estándar el campo de Higgs es un doblete escalar, pero podrían ser dos dobletes escalares (modelo 2HDM por Two Higgs Doublet Model), en cuyo caso habría cinco bosones de Higgs, dos de ellos cargados. La búsqueda de bosones de Higgs cargados en Belle y BaBar gracias a la desintegración de mesones B muestra un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar con un único Higgs neutro. El último resultado de BaBar, tras analizar 471 millones de eventos BBbar, muestra un exceso de 3,4 sigmas; en realidad, este exceso es combinación de dos excesos individuales uno a 2,0 sigmas en R(D) y otro a 2,7 sigmas en R(D*). Belle tras analizar 657 millones de eventos BBar mostró un exceso similar. Obviamente, puede tratarse de una fluctuación estadística, sin embargo, resulta sugerente que este exceso observado por Belle y BaBar está creciendo poco a poco. La causa aún no es conocida, pues el modelo 2HDM parece que no explica bien el exceso (salvo en una versión con ajuste fino del modelo 2HDM tipo III; el modelo 2HDM tipo II se excluye a más de tres sigmas). Me enteré gracias a Manuel Franco Sevilla (UC Santa Barbara / BaBar collab.), “Evidence for an excess of Bbar to Dast tau nu decays,” Wine & Cheese, Fermilab, 8 Mar 2013 [slides]; el artículo técnico es The BABAR Collaboration, “Measurement of an Excess of B -> D(*) Tau Nu Decays and Implications for Charged Higgs Bosons,” arXiv:1303.0571, 3 Mar 2013. También recomiendo consultar Dana Lindemann (BaBar Collaboration), “Recent BaBar results on BSM Higgs,” Higgs Quo Vadis, Aspen, Mar 11, 2013 [slides].

Nuevos resultados sobre el bosón de Higgs en Moriond EW 2013

Hoy se han presentado en Moriond EW 2013 los primeros análisis de colisiones sobre el Higgs que comprenden todos los datos recabados en el LHC durante 2011 y 2012. Todos esperábamos la actualización del canal difotónico (H→γγ) tanto en CMS como en ATLAS, pero CMS mantendrá el suspense hasta la semana que viene (como pronto). ATLAS ha observado en este canal con 7,4 σ un Higgs con una masa de 126,8 ± 0,2 ± 0,7 GeV/c² (el error está dominado por los sistemáticos) con μ = 1,65 ± 0,24 ± 0,25 (para el Higgs del modelo estándar debería ser μ = 1). La razón de este exceso todavía no es conocida. A falta de datos de CMS, no merece la pena realizar conjeturas. Fabrice Hubaut (ATLAS), “Latest ATLAS studies on Higgs to diboson states,” Moriond EW, 06 Mar 2013 [slides], y Guillelmo Gomez-Ceballos (CMS), “Study of Standard Model Scalar Production in Bosonic Decay Channels in CMS,” Moriond EW, 06 Mar 2013 [slides]. Los interesados en ver los vídeos de las charlas pueden seguir el siguiente enlace. Más información de los resultados de CMS presentados en Moriond en ”New CMS results at Moriond (Electroweak) 2013.”

El exceso en el canal difotónico es una gran alegría para todos los físicos teóricos pues mantiene abierta la veda para la caza de nueva física más allá del modelo estándar. Sin embargo, tenemos que ser cautos. Por un lado, la magnitud del exceso está disminuyendo (en diciembre, ATLAS observó un valor μ = 1,8 ± 0,4 que ha disminuido ahora a μ = 1,65 ± 0,3; los rumores son que el exceso también ha disminuido un poco en CMS). Por otro lado, el exceso sigue siendo una fluctuación a sólo 2 sigmas y este tipo de fluctuaciones son muy habituales tras el análisis de grandes cantidades de colisiones. Por ello, como ya sabéis, mi opinión es que el exceso no es “real” sino un error sistemático asociado al análisis de la predicción teórica del modelo estándar (aunque quizás no desaparezca hasta que se utilicen las estimaciones teóricas 2γN³LO para el proceso H→γγ, en lugar de las actuales 2γNNLO; recuerda que para un Higgs a 125 GeV, el cociente entre el cálculo 2γNNLO y 2γNLO fue de 1,55 [más información]). Animación en fichero GIF de cómo se han obtenido los resultados en ATLAS (muy curiosa).

El canal estrella para la búsqueda del Higgs, el canal H→ZZ→4l, ofrece una señal aún más clara del Higgs con 6,6 σ en ATLAS y 6,7 σ en CMS, aunque para una partícula con masa diferente, 125,8 ± 0,5 ± 0,2 GeV/c² en CMS y 124,3 ± 0,6 ± 0,5 GeV/c² en ATLAS. La señal de CMS apunta a un Higgs del modelo estándar (μ = 0,91 ± 0,3), mientras que la señal de ATLAS sigue mostrando dos “picos” para el Higgs (en este canal difiere respecto al canal difotónico y respecto a CMS en este mismo canal). La señal de CMS apunta al Higgs del modelo estándar, pero la de ATLAS difiere bastante, lo que apunta a que debe haber alguna fluctuación estadística en el análisis (como estos datos son preliminares, quizás se puede descubrir el origen en las próximas semanas).

Como muestran estas dos tablas (fuente de la de arriba y fuente de la de abajo), los nuevos datos sobre el Higgs tienden a confirmar que se trata del bosón predicho por el modelo estándar. Cada día que pasa, las propiedades del nuevo bosón se parecen más a las predichas por la teoría. La semana que viene, en Moriond QCD, habrá nuevos datos sobre el Higgs (lo más esperado son los datos del canal difotónico en CMS). El acoplamiento del bosón observado a fermiones sólo había sido observado en el Tevatrón, pero ahora también se ha confirmado en el LHC. Por ejemplo, ATLAS y CMS han  observado su desintegración en dos leptones tau. En el LHC no es fácil observar la desintegración en un par de quarks bottom (pues el fondo de ruido es muy grande), pero en el Tevatrón la señal en este canal parece muy clara (unas 3 sigmas).

¿Cuándo la dirección el CERN dará su brazo a torcer y reconocerá que se ha descubierto el bosón de Higgs del modelo estándar? En mi opinión, será en julio, durante la conferencia EPSHEP 2013, Estocolmo, Suecia. Esta conferencia en la ciudad que concede los Premio Nobel será el lugar ideal para realizar este anuncio (pues en mi opinión el Premio Nobel de Física de 2013 está claro que será concedido al descubrimiento del Higgs). Lo cierto es que la combinación de los datos de LEP, Tevatrón y LHC no deja casi lugar a dudas: las desviaciones respecto a las predicciones teóricas, de existir, son muy pequeñas. ¿Cuándo se publicará por primera vez una combinación oficial LEP+Tevatron+LHC? La combinación oficiosa deja muy claro que el nuevo bosón es el Higgs.

Los tres primeros días de Moriond 2013

Los Encuentros de Moriond de 2013 sobre Teoría Electrodébil (Rencontres de Moriond EW 2013) se inauguraron el domingo pasado, 3 de marzo, con charlas sobre quarks pesados (bottom y charm), continuaron ayer lunes con charlas sobre materia oscura y el quark top, y hoy con charlas sobre neutrinos. En estos tres días no ha habido sorpresas (la mayoría de los resultados presentados ya eran conocidos y los pocos nuevos eran mejoras de resultados previos). El día estrella será mañana, con la retransmisión vía webcast de los nuevos resultados sobre el Higgs. Mis obligaciones docentes no me permitirán ver toda la retransmisión, pero espero poder hacer un resumen mañana por la noche a partir de las transparencias (slides) utilizadas (por cierto, hay que subscribirse para poder acceder a ellas).

La figura que abre esta entrada está extraída de la charla de Brent Follin (UC Davis / SPT Collaboration), “Exploring Neutrino Physics with the Cosmic Microwave Background,” Moriond EW, 5 Mar 2013 [slides], centrada en los resultados de SPT (South Pole Telescope) ya publicados en octubre de 2012 y su combinación con los de ACT y WMAP-9. Resume bien la situación actual a la espera de la publicación de los datos del satélite Planck el próximo 21 de marzo de 2013. Destaca la “tensión” entre los resultados de ACT y SPT.

Szymon Manecki (VirginiaTech / Borexino Collaboration), “Precision Measurement of the Beryllium-7 nu’s with the Borexino Detector,” Moriond EW, 5 Mar 2013  [slides], nos ha presentado los primeros resultados sobre la oscilación anual en el flujo de neutrinos detectados usando Be-7 en este detector (situado en Gran Sasso, Italia). Super-Kamiokande y SNO ya observaron hace años esta oscilación anual, pero en B-8. También ha presentado el resultado de la medida de la velocidad de los neutrinos múonicos generados en CNGS (los que OPERA anunció por error como superlumínicos).

Como nos cuenta T. R. Hampson (Univ. Bristol / LHCb collaboration), “Charm mixing and CP violation in LHCb,” Moriond EW, 2 Mar 2013 [slides], LHCb no ha encontrado evidencia de la existencia de neutrinos de Majorana en la desintegración de las mesones D⁺ tras estudiar 1 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV c.m. de 2011; aunque no se presentan análisis de los 2 /fb a 8 TeV c.m. obtenidos en 2012, el nuevo límite es uno dos órdenes de magnitud mejor que el último publicado.

LHCb tampoco ha observado corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC) en la desintegración de mesones es D⁺ (también tras estudiar 1 /fb de colisiones a 7 TeV c.m.), como nos ha contado T. R. Hampson [slides]. Aún así, el límite todavía está un orden de magnitud por encima de las predicciones del modelo estándar, lo que no quita que vaya en contra de ciertas teorías más allá del modelo estándar (muchas de las cuales predicen un reforzamiento de las FCNC).

La búsqueda de la materia oscura en Moriond, como ya es habitual, no presenta ningún resultado relevante. Ahora mismo todo está pendiente de lo que pueda ofrecer AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) en los próximos días, pero Bruna Bertucci (Univ. Perugia / INFN), “AMS-02: Status & (future) results,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], no ha soltado prenda en su charla. Se han recogiod unos 30 mil millones de sucesos desde el 19 de mayo de 2011 y próximamente se publicará un artículo sobre la fracción de positrones observada con energía hasta 350 GeV, lo que refutará o confirmará la anomalía observada por PAMELA (un exceso de positrones para energías entre 20 y 100 GeV). Esta anomalía no tiene una explicación aún (si posible origen en la materia oscura encuentra el problema de la ausencia de un exceso en el flujo de protones).

Fermi LAT tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura, salvo la famosa línea espectral de rayos gamma a unos 130 GeV en la dirección del centro de la Vía Láctea. La señal es muy clara, alcanzando 4,0 sigmas sobre el fondo, como nos cuenta Gabrijela Zaharijas (ICTP / INFN, Trieste), “Searches for WIMP dark matter with the Fermi LAT for the Fermi-LAT collaboration,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], quien además nos indica que una calibración de los calorímetros ha desplazado la línea hasta los 135 GeV. Todavía no se conoce la causa de dicha anomalía (también observada en el limbo de la Tierra). Nos comenta la posible explicación como materia oscura Alejandro Ibarra (Technische Universität München), “Fermi-LAT limits on mass degenerate dark matter scenarios,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides]. La línea espectral observada por Fermi LAT podría tener su origen en la desintegración de una partícula de materia oscura con masa 149 ± 4 GeV y <σv> = (5,7 ± 1,4) × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,3 σ (aunque sólo 3,1 σ teniendo en cuenta el efecto LEE). Hay que tener cuidado con este valor, pues Ibarra no ha actualizado sus datos sobre la línea y también apunta como explicación alternativa una partícula con masa de 130 GeV y <σv> =1,27 × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,6 σ (3,3 σ con LEE).

Otros experimentos han actualizado sus resultados como Daya Bay [slides], OPERA [slides], T2K [slides], EXO-200 [slides], etc., pero sin ninguna novedad relevante. En resumen, habrá que esperar a mañana, a ver qué novedades sobre el Higgs nos quieren contar.

Tras dos años de análisis se descubre el secreto de la anomalía W+jj en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

Se han ofrecido muchas explicaciones para la anomalía W+jj observada en los datos del experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab, cerca de Chicago. El otro experimento del Tevatrón, DZero no observó dicha anomalía; CMS y ATLAS del LHC en el CERN tampoco la observaron. Por tanto, la causa debe ser un “error sistemático” en los análisis de este tipo de colisiones. Ha costado dos años de intenso trabajo, basado en tres posibles hipótesis, hasta que se ha descubierto la razón. La técnica de Monte Carlo utilizada para el ajuste de los disparadores (triggers), utilizados en la identificación de los chorros, confunde cierto tipo de ruido de fondo con “supuestos” leptones (fake leptons), sobre todo electrones; reajustando la técnica de selección de eventos la anomalía W+jj desaparece y los datos corresponden a las predicciones del modelo estándar. Dos años de esfuerzos que han valido la pena. Había que encontrar el origen de este “error sistemático” pues podría afectar a otros análisis. ¿Afecta este cambio a otros análisis, como los del quark top o los del Higgs? El efecto es muy pequeño, despreciable en la práctica; así que no será necesario corregir los resultados publicados debido a la identificación errónea de los “supuestos” leptones. Nos cuenta la historia con detalles técnicos M. Trovato (on behalf of the CDF collaboration), “Update on dijet mass spectrum in W + 2jets events,” Wine & Cheese Seminar, Fermilab, Feb 23, 2013. El artículo técnico todavía no ha sido publicado en ArXiv, pero ha sido enviado a Physical Review D.

La esperanza (de encontrar la supersimetría) es lo último que se pierde

Dimitri V. Nanopoulos, físico teórico experto en supersimetría, lleva diez años prediciendo la masa del gluino (la (super)compañera del gluón). Conforme los experimentos descartan la masa que ha predicho, sube su predicción un poquito y vuelve a publicar una nueva estimación basada en más información que la anterior, con lo que, a priori, parece mucho mejor. Su última estimación es M½ = 765 ± 85 GeV. En su opinión, todos las búsquedas realizadas en el LHC hasta el momento son compatibles con este resultado. En las próximas semanas se publicarán en Moriond nuevas estimaciones experimentales (que casi seguro descartarán su predicción pues ya hay cierta evidencia que apunta a una masa M½ > 1200 GeV). No sé lo que ofrecerán los nuevos datos (tras el análisis de todas las colisiones de 2012), pero lo que es seguro es que Nanopoulos no perderá la esperanza y publicará nuevas estimaciones “optimistas.” Hasta que en 2015 no se publiquen los resultados de las primeras colisiones a 13 TeV c.m. en el LHC no se podrá descartar una masa  M½ > 2000 GeV. Los interesados en los detalles (no muy técnicos) disfrutarán de Tianjun Li, James A. Maxin, Dimitri V. Nanopoulos, Joel W. Walker, “Correlated Event Excesses in LHC SUSY Searches at 7 & 8 TeV: New Physics or Conspiring Noise?,” arXiv:1302.6579, 26 Feb 2013. Más información crítica sobre este tema en Peter Woit, “The State of SUSY,” Not Even Wrong, Feb 27, 2013.

Ya han finalizado las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

Las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN finalizaron ayer domingo, 10 de febrero, por la mañana, con el fill #3544. Como muestra esta figura se han acumulado 32 inb (inversos de nanobarn) de colisiones en ALICE, otras tantas en ATLAS y CMS, y unos 2 inb en LHCb. Ya no se pasará a modo colisiones (haces estables), pero se seguirán haciendo algunas pruebas técnicas.  El próximo miércoles se iniciará la primera parada larga LS1 (Long Shutdown 1) que durará casi dos años; si todo sale bien se reanudarán las colisiones en diciembre de 2014. Durante la parada LS1 se corregirán varios defectos en el diseño original del colisionador que han impedido alcanzar de forma segura la máxima energía (colisiones a 14 TeV c.m.); hay que recordar que tras el inicio de las colisiones en septiembre de 2008 el LHC sufrió un grave accidente debido a que saltó una conexión eléctrica que provocó un escape de refrigerante y una explosión que dañó un sector de la máquina; tras un año de reparación, se reanudaron las colisiones a finales de 2009 pero a mitad de energía (7 TeV c.m.), aunque en 2012 se logró incrementarla un poco (hasta 8 TeV c.m.). Durante LS1 también se realizará una fase de mantenimiento de la máquina que es independiente de la reparación a realizar y que estaba planificada desde su fase de diseño; se introducirán gran número de mejoras. Fuente de la figura de arriba y de la de abajo.

Habrá que esperar hasta Moriond (en marzo) para conocer los primeros resultados tras los análisis de las colisiones protón-plomo (p-Pb). Lo más interesante será la confirmación de la existencia de un estado de la materia llamado condensado cristalino de color (color-glass condensate), que parece la explicación más razonable a l el “ridge” observado en las colisiones Pb-Pb, p-Pb y p-p tanto por CMS como por ATLAS (en este blog puedes leer “ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo,” 21 dic. 2012; “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,” 24 oct. 2012).

Durante la parada LS1 se seguirán realizando análisis de colisiones para estudiar las propiedades del bosón de Higgs y la posible existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Tras Moriond (marzo), donde ATLAS y CMS publicarán de forma separada los análisis del Higgs con todos los datos de 2012, se iniciará una fase de combinación de eventos de ambas colaboraciones, que podría permitir a finales del verano la publicación de análisis combinados con el doble de colisiones. Los próximos meses, aún sin nuevas colisiones, prometen ser apasionantes para la física de partículas en el LHC.

LHCb confirma la medida de CDF para la masa del barión Omega-b menos

CDF y DZero, los dos experimentos del Tevatrón (Fermilab), difieren entre sí en varios resultados. Destaca la medida de la masa del barión Omega-b menos (bss), formado por un quark bottom y dos extraños. CDF midió una masa de 6054,4 ± 6,8 ± 0,9 MeV/c² y DZero una de 6165 ± 10 ± 13 MeV/c². LHCb del LHC (CERN) ha observado 19 ± 5 eventos y ha medido 6046 ± 2,2 ± 0,6 MeV/c², que confirma el resultado de CDF, pero se diferencia del de DZero en 7 sigmas. ¿Por qué DZero midió una masa con tanto error? La señal que observó (18 ± 5 eventos) no parece que corresponda a una fluctuación estadística, por lo que debe haber algún error sistemático responsable de que la señal se desplazara unos 115 MeV/c² hacia arriba. La nueva medida se ha publicado en LHCb collaboration, “Measurement of the Λ_b^0, Ξ_b^- and Ω_b^- baryon masses,” arXiv:1302.1072, 5 Feb 2013; las anteriores son DZero Collaboration, “Observation of the doubly strange b baryon Omega_b-,” Phys. Rev. Lett. 101: 232002, 2008 [arXiv:0808.4142], y CDF Collaboration, “Observation of the Omega_b^- and Measurement of the Properties of the Xi_b^- and Omega_b^-,” Phys. Rev. D 80: 072003, 2009 [arXiv:0905.3123].

Esta figura y más información en Tommaso Dorigo, “What’s The Omega_b Mass? LHCb Confirms CDF, DZERO Way Off,” AQDS, Feb 7, 2013. 

Las partículas que emiten los agujeros negros por radiación de Hawking

Un agujero negro emite radiación como un cuerpo caliente a la temperatura de Hawking. Si su valor es muy alto, la radiación de Hawking consiste en partículas de todo tipo (fotones, gravitones, bosones vectoriales, bosones de Higgs, leptones y hadrones), pero si su valor es “bajo” solo emite fotones y gravitones. El vacío cerca del horizonte de sucesos produce pares de partícula-antipartícula virtuales en los que una de las partículas penetra en el agujero negro y la otra escapa, produciendo la radiación. Esta imagen es falsa. Hay varias razones pero la más importante es que la longitud de onda de las partículas absorbidas y emitidas es comparable al tamaño del agujero negro (λ ≈ 2 G M/c²); por tanto, imaginar que estas partículas están localizadas en el entorno del horizonte de sucesos no tiene ningún sentido físico. Estas partículas son tan grandes como el propio agujero negro y no tiene ningún sentido preguntarse dónde están, igual que un electrón en un átomo tiene una longitud de onda comparable al propio átomo y no podemos saber dónde está el electrón dentro del átomo. Nos lo cuentan en detalle N. D. Birrell, P. C. W. Davies, “Quantum Fields in Curved Space,” Cambridge University Press, 1982 (en la sección 8.2). Agradezco a Mario Herrero (@Fooly_Cooly) que me haya recomendado la lectura de este libro y recomiendo su entrada “6 cosas que quizás nunca se atrevieron a contarte sobre agujeros negros,” Naukas, 1 may 2012.

¿Qué se sabe sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo?

Cuando no hay experimentos específicos y hay muchas teorías diferentes con resultados dispersos, debemos afirmar que no sabemos (casi) nada, y si al combinarlos la incertidumbre ronda el 100% debemos afirmar que no sabemos nada de nada. Esta figura ilustra muy bien lo poco que sabemos sobre la distribución de los gluones dentro de un núcleo pesado. Muestra siete estimaciones teóricas del radio “gluónico” de un núcleo de plomo (nDS (NLO), HKM, Sarcevic, EKS98, Armesto, FGS y HIJING). Cada modelo teórico ofrece un resultado diferente (la región de interés está marcada con la flecha roja). Aún no hay medidas experimentales, por lo que podemos afirmar sin rubor que no se sabe nada sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo. ¡Nada de nada! Obviamente, no estarán de acuerdo conmigo los que han desarrollado estos modelos teóricos que afirmarán que el suyo es el “correcto,” pero para todo físico una incertidumbre del 100% equivale a no saber nada. Me he enterado gracias a Rolf Ent (Jefferson Lab), “Probing the Quark Sea and Gluons: the Electron-Ion Collider Project,” Wine & Cheese Seminar (Joint Experimental-Theoretical Seminar), Fermilab, 11 Jan 2013 [slides]. Su charla reivindica la necesidad de un colisionador de electrones (polarizados) contra iones pesados (Electron-Ion Collider, EIC) que estudie la materia nuclear. Más info sobre su diseño en S. Abeyratne et al., “Science Requirements and Conceptual Design for a Polarized Medium Energy Electron-Ion Collider at Jefferson Lab,” JLAB-ACC-12-1619, arXiv:1209.0757. La construcción se debería iniciar en 2019 y acabar en 2024. Con lo que la toma de datos se realizará a partir de 2025 (si se cumplen todos los plazos). 

La incertidumbre en la vida media del neutrón

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos), según el PDG 2012; en muchos isótopos también es inestable aunque su vida media es mucho más larga (el carbono-14 decae en el nitrógeno 14 con una vida media de 5.730 años). Sin embargo, al releer libros antiguos uno descubre que se pensaba que la vida media era de unos 17 minutos. ¿Por qué la diferencia es tan grande? La razón es que medir la vida media de un neutrón aislado es muy difícil y el resultado depende del método experimental utilizado (los valores en discordia difieren en hasta 10 segundos). ¿Por qué es importante la medida de la vida media del neutrón? Para verificar las teorías de nucleosíntesis primordial en el big bang, así como varios parámetros necesarios para la cosmología de precisión y para el modelo estándar de las partículas elementales (como el parámetro Vud). Nos lo contó Rebecca Cheung, “Secret of a Lifetime. How long a neutron lives holds clues to the cosmos,” ScienceNews, May 4, 2012. Más información técnica en Fred E. Wietfeldt, Geoffrey L. Greene, “Colloquium: The neutron lifetime,” Rev. Mod. Phys. 83: 1173–1192, 2011, y en A. N. Ivanov, M. Pitschmann, N. I. Troitskaya, “Neutron Beta-Decay as Laboratory for Test of Standard Model,” arXiv:1212.0332, Dec 3, 2012.

Verifican la indistinguibilidad de electrones individuales de fuentes independientes

Un experimento de doble rendija con electrones permite observar su comportamiento como ondas, la famosa dualidad onda-partícula; lo habitual es que los electrones provengan de la misma fuente. Un experimento de interferencia usando conductores metálicos cortos a muy baja temperatura también permite comprobar la dualidad onda-partícula, como se publicó en 2007 en Nature. Se verificó para un haz de electrones en un interferómetro Mach-Zender. Un nuevo artículo en Science lo ha logrado utilizando pares de electrones individuales. Más aún, el nuevo experimento permite definir un grado de indistinguibilidad para los electrones que son emitidos por fuentes independientes con cierto retraso. Como muestra la figura, si dos bosones indistinguibles y coherentes son emitidos por las dos fuentes independientes 1 y 2 hacia un divisor de haz aparecen ambos en el punto 3, o ambos en el 4. Sin embargo, si se trata de electrones, cada uno aparece en un punto diferente 3 y 4, aunque no sabemos cuál en cuál por su indistinguibilidad. Introduciendo un pequeño retraso τ en uno de las fuentes coherentes de electrones se logra una fuente de pares de electrones con un grado de indistinguibilidad controlado a medida. Este logro podría tener aplicaciones en el proceso de información cuántica con electrones y en experimentos que verifican las desigualdades de Bell. El nuevo artículo técnico es E. Bocquillon et al., “Coherence and Indistinguishability of Single Electrons Emitted by Independent Sources,” Science, AOP Jan 24, 2013 [copia gratis]; el artículo previo es I. Neder et al., “Interference between two indistinguishable electrons from independent sources,” Nature 448: 333-337, 19 Jul 2007 [copia gratis] (más información en Markus Kindermann, “Quantum mechanics: Interference in the matter,” News and Views, Nature 448: 262-263, 19 Jul 2007).