Comunicado oficial del detector CMS en el LHC del CERN y su espectro de dimuones

El “Comunicado de CMS para la conferencia ICHEP 2010 en París,” Ginebra, 26 de julio de 2010, ha sido publicado en diez idiomas, entre ellos, en español. Os recomiendo su lectura. Permitidme unos extractos. 

“Desde el comienzo de las colisiones a 7 TeV hace unos escasos meses (30 de marzo de 2010), nuestros equipos han operado el detector y seleccionado las mejores colisiones con una gran eficiencia; (ellos) han distribuído los datos a los grupos de análisis, esparcidos por todo el mundo y los datos han sido analizados para producir sólidos resultados con increíble velocidad. Ver estos primeros resultados me hace sentir un gran orgullo. El progreso hasta ahora ha superado las expectativas, pero el futuro nos depara nuevos desafíos a medida que dispongamos de haces con mayor intensidad y busquemos procesos aún más raros. Esto es sólo el principio.” Palabras del portavoz de CMS, Guido Tonelli.

“Para comienzos de 2011 la cantidad de datos acumulados se espera que aumente 100 veces. Llegado ese punto, CMS comenzará a seriamente resolver muchas cuestiones importantes sobre la estructura del universo a las distancias más pequeñas y escalas de energía más altas. [Esta] investigación no solo aumenta nuestro entendimiento de cómo funciona el Universo, sino que eventualmente puede convertirse en la chispa de nuevas tecnologías que cambien el mundo en el que vivimos, como ya ha ocurrido con frecuencia en el pasado.”

¿Con qué figura ilustrar esta breve entrada? No me puedo resistir a seguir los pasos de Tommaso Dorigo, “Plot Of The Week: A Lovely Dimuon Mass Spectrum,” A Quantum Diaries Survivor, July 27th 2010. Esta figura obtenida por la colaboración CMS y publicada por primera vez para el congreso ICHEP 2010 nos muestra el número de eventos que presentan una desintegración en un par de muones (una de las señales más claras que se puede observar en un detector como CMS) observados con las colisiones analizadas desde el 30 de marzo de 2010 en el LHC (corresponde a los primeros 280 inversos de nanobarn de colisiones protón-protón a 7 TeV en el centro de masas). La escala horizontal es logarítmica y corresponde a la masa del par muón-antimuón observado. La escala vertical también es logarítmica y corresponde al número de eventos observado para cada masa (se cuentan todos los eventos agrupados en ciertos intervalos). En la parte derecha observamos unas decenas de eventos que corresponden al bosón vectorial Z. El pico más claro (y más elevado) corresponde a los mesones J/Psi. Un pico “precioso” y “preciso” (ver más abajo). También se ven picos asociados a otras partículas, como los mesones Upsilon, rho, omega y phi. Todos estos picos destacan sobre un fondo de pares de muones no identificados, un ruido de fondo imposible de evitar en un colisionador de hadrones.

El descubrimiento de una partícula elemental nueva es muy fácil cuando corresponde a un pico claro sobre el fondo de ruido. Por ejemplo, esta figura os ilustra un zoom de la figura anterior (el espectro de pares de muones, dimuones, alrededor del pico alrededor de la masa del mesón J/Psi, pero en escala lineal, no logarítmica y con menos datos de colisiones, solo 40 inversos de nanobarn). El pico se observa en los datos de maravilla (tanto que Tommaso no ha podido resistirse a dedicarle una entrada “The CMS Momentum Scale From J/Psi Decays,” aQDS, July 29th 2010). De hecho, con tan pocos datos la estimación que se obtiene para la masa de esta partícula es muy parecida al mejor dato publicado hasta el momento por el PDG (Particle Data Group). Una ilustración de la gran calidad del análisis realizado. Pero para una partícula aún por descubrir (pongamos que hablo del bosón de Higgs) el pico, si es que lo hay, es muy pequeño, casi imperceptible. El pico crece conforme se acumulan más colisiones, pero con pocas colisiones el pico es imposible de distinguir del ruido. Los límites de exclusión de masa del Tevatrón para el Higgs lo que nos presentan es la probabilidad de que no haya un pico cuando en los datos no se ha observado ningún pico (en estadística es el límite de confianza para la hipótesis de que no exista la partícula). Dentro de 10 años, si el bosón de Higgs existe, podremos enseñar una figura como esta para el bosón de Higgs que nos permitirá calcular con gran precisión su masa. Será una figura obtenida gracias al LHC del CERN. Pero hasta entonces lo que vamos a ver del Higgs es como la parte de la figura entre 2.6 y 2.8 (o entre 3.3 y 3.6), fluctuaciones que pueden indicar la existencia de algo interesante o que son meros espurios estadísticos sin mayor significación.