Mi resumen de la conferencia ATLAS+CMS sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN

Esta figura de ATLAS es el mejor resumen de la conferencia de hoy sobre el bosón de Higgs. ¡Preciosa! Muestra justo lo que tiene que mostrar una figura de este tipo en caso de que exista un bosón de Higgs con una masa alrededor de 126 GeV. La línea continua de puntos está claramente por encima de la banda amarilla en una región donde la línea discontinua está por debajo de la unidad, es decir, donde el experimento tiene sensibilidad suficiente para observar este tipo de señal. Obviamente, los datos analizados durante 2011 son insuficientes para afirmar de forma rotunda que el Higgs existe y habrá que esperar a 2012 (como yo ya había dicho en reiteradas ocasiones en este blog). Sin embargo, esta figura es preciosa, una alegría para la vista. Yo soy escéptico por naturaleza así que seamos cautos, esta señal que apunta hacia la existencia de Higgs con una masa de unos 126 GeV solo tiene una confianza estadística de 2,3 sigma y el pico tan bonito de la curva negra podría ser una fluctuación estadística, una trampa puesta por el destino para confundir a los físicos. Permíteme la licencia, yo no lo creo así y Heuer, director del CERN, ha acabado la conferencia de prensa de hoy afirmando “See you the next year for the discovery.” Estas últimas palabras le delatan. Como mi entusiasmo me delata a mí. He disfrutado mucho del webcast de la conferencia de hoy en el CERN. Pero eso es lo que tú quieres leer en este blog, mi opinión, quieres disfrutar de mi entusiasmo. Vamos a ello.

Esta figura, también de ATLAS, corresponde a la exclusión del Higgs en todo el rango de masas explorado en el LHC este año tras el análisis combinado de tres canales de búsqueda del Higgs. Esta figura excluye con una confianza del 95% C.L. un Higgs en el rango de masas entre 112,7 y 115,5 GeV (por primera vez un experimento supera la barrera de los 114,4 GeV obtenida por LEP2 hace 10 años), en el rango entre 131 y 237 GeV (mejorando el resultado de agosto que se iniciaba en 141), y en el rango entre 251 y 453 GeV (aunque el rango entre 237 y 251 GeV fue excluido por el resultado combinado ALTAS+CMS). Como resultado, ATLAS nos indica que el bosón de Higgs, si existe, tiene una masa entre 115,5 y 131 GeV; el cerco se estrecha hasta ahogar al Higgs y por supuesto, podría no existir, aunque quien esto escribe cree que sí existe (pero ahora mismo es solo una opinión personal derivada de  los tests de precisión del modelo estándar que a mí me ofrecen muchas garantías, que no todo el mundo comparte). En esta figura se ve peor el pico que apunta a un Higgs con una masa de 126 GeV, porque es muy estrecho en esta escala (como tiene que ser).

Las figuras anteriores son de exclusión (validan la hipótesis de que no exista un Higgs), al contrario que estas dos figuras que nos ilustran las posibilidades de existencia del Higgs. Cuando más próxima esté la curva al valor cero más probable es que el Higgs no existe para dicha masa y cuanto más cerca esté del valor uno es más probable que existe; los valores alejados del cero y del uno son valores con mucha incertidumbre y los datos obtenidos no aportan información al respecto. La más interesante es la figura de la derecha que muestra el rango bajo de masas. Claramente se ve que los datos apuntan a un bosón de Higgs con una masa entre 117 y 131 GeV con preferencia por un valor entre 120 y 130 GeV. El canal que domina esta figura es la desintegración del Higgs en dos fotones, contribuyendo de forma positiva un poco el canal ZZ y contribuyendo de forma negativa el canal WW (todavía hay muy pocos datos analizados en este canal). Gran parte de la incertidumbre por debajo de 120 GeV se debe a la de estos dos canales (ZZ y WW).

Finalmente, acabo con los resultados de ATLAS mostrándote esta figura que indica la consistencia entre los datos observados y la hipótesis de que no exista el Higgs. Alrededor del valor 126 GeV hay un pico hacia abajo clarísimo, indicativo de que los datos combinados apuntan a un Higgs; la razón es que los tres canales de búsqueda del Higgs analizados apuntan en la misma dirección (tienen picos hacia abajo que se combinan). Esta es la señal que todos esperábamos que se observara y la evidencia, aunque solo sea a 2,3 sigma, con los pocos datos analizados (todos los de 2011 son pocos para un Higgs de baja masa), es la señal que muchos esperábamos que se obsrevara. Si queréis que os diga la verdad, yo ahora lo tengo aún más claro y mi opinión es aún más firme, mi opinión es que el bosón de Higgs existe y será encontrado en el LHC el año próximo (en junio o julio habrá un anuncio de un descubrimiento definitivo).  

Todas estas figuras están extraídas de la charla de Fabiola Gianotti, portavoz del experimento ATLAS del LHC, sobre los resultados obtenidos para el Higgs tras el análisis de 4,9 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. El resultado observado por ATLAS, que apunta a un Higgs con una masa de unos 126 GeV con una confianza estadística global de 2,3 sigmas, lo repito aunque pueda parecer pesado, se obtenido tras combinar tres canales de búsqueda del Higgs: la desintegración en dos fotones, H →ɣɣ (tras analizar 4,9 /fb de datos de colisiones), la desintegración en dos bosones Z que conduce a cuatro leptones en los detectores H →ZZ→ℓℓℓℓ (tras analizar 4,8 /fb de datos), y la desintegración en dos bosones W que conduce a dos leptones y dos neutrinos, H →WW→ℓνℓν (aunque este canal no ha sido actualizado con nuevos datos y se han utilizado 2,1 /fb que ya se analizaron en agosto pasado). Por qué solo estos tres canales. Porque otros canales de análisis no tienen sensibilidad suficiente para excluir un Higgs de baja masa, por ello no han sido considerados. Si quieres más información técnica puedes disfrutar de The ATLAS collaboration, “Combination of Higgs Boson Searches with up to 4.9 /fb of pp Collision Data Taken at √s = 7 TeV with the ATLAS Experiment at the LHC,” ATLAS-CONF-2011-163, Dec. 12, 2011 [figuras y más información].

 

Guido Tonelli, portavoz del experimento CMS del LHC, nos ha comentado [pdf con las transparencias] los resultados obtenidos para el Higgs tras el análisis de 4,7 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. Como muestra esta tabla, se han analizado un mayor número de canales de desintegración que en ATLAS, en concreto cinco canales de desintegración del Higgs, además de los tres de ATLAS (ɣɣ, WW y ZZ), también se han incluido los canales bb y ττ (desintegración en un par de quarks bottom-antibottom y en un par de leptones tau); más aún y a diferencia de ATLAS se han incluido nuevos datos para el canal WW (hasta 4,6 /fb). El experimento es sensible al Higgs en el intervalo entre 117 y 543 GeV al 95% C.L. y excluye el bosón de Higgs en el intervalo entre 127 y 600 GeV al 95%, y entre 128 y 525 GeV al 99%. Se han observado algunos excesos para masas bajas entre 117 y 127 GeV, aunque el origen de estos excesos todavía es dudoso. Más información técnica en The CMS Collaboration, “Combination of CMS searches for a Standard Model Higgs boson,” CMS PAS HIG-11-032, Dec. 13, 2011 [figuras y más información].

Esta figura es la más interesante de las presentadas por CMS y muestra los límites de exclusión para un Higgs con una masa baja entre 110 y 160 GeV. Como se ve CMS excluye un Higgs con un masa por encima de 127 GeV y muestra un pequeño exceso entre 120 y 125 GeV (este exceso es algo menos significativo que el presentado por ATLAS). Si este exceso coincidiera con el observado por ATLAS tendríamos una prueba muy fuerte a favor de un Higgs con esta masa, pero como el exceso está centrado en una masa un poco más pequeña esta figura no es concluyente. Para algunos podría incluso generar dudas sobre el resultado de ATLAS, aunque en mi opinión hay que esperar a que se publique una combinación oficial de ambas figuras para poder opinar más firmemente al respecto. Os recuerdo que curva discontinua corresponde, más o menos, a la sensibilidad del experimento a un Higgs con una confianza del 95% y que esta gráfica muestra que CMS es sensible a un Higgs con una masa mayor de 117 GeV (su ventaja respecto a ATLAS, menos sensible, se debe a que se han combinado más canales de búsqueda del Higgs). La banda verde y la amarilla corresponden a una y dos desviaciones típicas alrededor de la curva discontinua (es decir, a fluctuaciones en su valor con una probabilidad del 68%, verde, y del 95%, amarillo). La línea continua son los datos observados para la hipótesis de exclusión de un Higgs y que caso de existir esta partícula dicha curva de estar por encima de la unidad (línea roja horizontal) y por encima claramente de la banda amarilla (cuanto más lejos de la banda amarillo más significativo es el resultado).

La figura de exclusión para todo el rango de masas explorado (entre 110 y 600 GeV) no deja lugar a dudas y excluye el Higgs en un rango amplísimo, entre 127 y 600 GeV al 95%. Combinando esta figura con la de ATLAS se puede asegurar con rotundidad que el bosón de Higgs, caso de existir, tiene una masa entre 117 y 127 GeV, un rango tan pequeño como 10 GeV es un rango extraordinariamente pequeño (no olvidemos que hace solo dos años el rango de posibles masas era mayor de 500 GeV). De nuevo, como ya he dicho con ATLAS, lo más interesante es el rango bajo de masas, al que apuntan los tests de precisión del modelo estándar y, en mi opinión, era de esperar la exclsión para masas por encima de 130 GeV.

Pero sin lugar a dudas, esta es la figura que más me ha gustado al ver la presentación de Tonelli entre las publicadas por CMS. Muestra que este experimento apunta a un Higgs de unos 124 GeV en lugar de los 126 GeV sugeridos por los datos de ATLAS. Esta figura puede ser motivo de gran número de discusiones en blogs como éste, aunque los físicos del CERN seguramente no le darán mucha importancia, pues los datos acumulados en 2011 son todavía bastante pocos para que esta figura sea decisiva. Hay que tenerlo claro, en realidad CMS no excluye la posibilidad de un Higgs de 126 GeV, pero habrá que combinar con cuidado los resultados de ambos experimentos (no es fácil hacerlo y no creo que el resultado se publique antes de marzo de 2012). Por cierto, esta figura, de hecho, indica que CMS limita el intervalo de posibles masas para el Higgs a entre 114,4 (valor de LEP) y 127 GeV, y la preferencia por 124 GeV es todavía poco significativa.

Aunque la figura anterior parece que apunta a un bosón de unos 124 GeV, no debemos engañarnos, como muestra esta otra figura. Los datos de CMS son compatibles con la existencia de un Higgs en el rango de masas entre 114,4 (valor de LEP) y 127 GeV, pero combinados con los de ATLAS se reducen al intervalo de 117 a 127 GeV, como ya he dicho antes. Vemos que en todo este intervalo la curva negra está más próxima a la unidad (existe el Higgs) que a cero (no existe el Higgs) y la banda azul corta la línea roja en dicho intervalo completo. Esta figura muestra claramente que CMS descarta un Higgs con una masa mayor de 127 GeV (la curva negra está claramente cercana a cero en dicho región). Comparando esta  figura con la de ATLAS se ve que los nuevos datos del canal WW (incluidos en CMS pero todavía no en ATLAS) son claves para reducir la incertidumbre (anchura de la banda azul) en esta región de masas. Los valores cercanos a la unidad en esta figura dependen del canal considerado, el valor de 119 GeV es debido a solo 3 eventos en el canal ZZ con cuatro leptones con dicha masa total y el vaor de 124 corresponde a eventos en el canal difotónico. Los datos de CMS apuntan con más claridad a un Higs con una masa próxima a 124 GeV que a uno próximo a 120 GeV (sobre por el efecto de los canales difotónico y en cuatro leptones), como muestra la siguiente figura.

En los comentarios alguno habéis indicado que los datos de CMS y los datos de ATLAS podrían apuntar a que podría no existir el Higgs, pero en mi opinión todavía es muy pronto para realizar esta afirmación. Lo que los datos nos indican ahora mismo es que el bosón de Higgs, de existir, tiene una masa entre 117 y 127 GeV. Habrá que esperar a que se combinen los datos de CMS y ATLAS (y se añada el análisis de nuevos canales a ATLAS) para sacar conclusiones más allá. Ahora mismo lo que nos dicen los datos publicados hoy es que el bosón de Higgs quizás exista, o quizás no exista, pero combinados con los datos de ajustes de precisión del modelo estándar la primera posibilidad, que el Higgs exista en dicho rango de masas, es mucho más probable.

¿Blogs que han contado las conferencias en vivo y en directo?

La inmediatez del directo tiene sus ventajas y sus inconvenientes (incluidas ciertas imprecisiones), pero también tiene su magia.

Matt Strassler, “Higgs Update Today: Inconclusive, As Expected,” Of Particular Significance, Dec. 13, 2011. Como el siguiente post de Tommaso, Matt ha escrito esto en vivo y en directo, luego presenta la inmediatez del directo y las imprecisiones del mismo.

Tommaso Dorigo, “Firm Evidence Of A Higgs Boson At Last!,” A Quantum Diaries Survivor, Dec. 13th 2011. Un análisis de un especialista realizado en directo durante las conferencias de Fabiola y Guido. Tommaso es de mi misma opinión y afirma con contundencia que todo está apuntando a que el bosón de Higgs existe y tiene una masa entre 117 y 127 GeV.

Philip Gibbs, “Higgs Boson Live Blog: Analysis of the CERN announcement,” viXra log, Dec. 13th, 2011. Estupenda introducción (que seguro que ya la tenía preparada), los comentarios en directo (ahora con figuras de calidad extraídas de los artículos) y los plots combinados. No me resisto a la tentación de presentártelos.

Esta figura es una combinación estadística (basada en aplicar la ley de los grandes números) de los resultados de ATLAS y CMS publicados hoy. Philip ha extraído los datos de las figuras a mano y los ha combinado con un programa de ordenador que desarrolló a tal efecto. Su figura no es oficial pero nos da una idea del resultado que se obtendrá al combinar oficialmente los datos. Por supuesto, lo más interesante es la combinación para el intervalo de masas bajas. Philip en la figura de abajo ha combinado ATLAS+CMS+Tevatrón+LEP, todo lo disponible, por eso su error en la parte de masas bajas (anchura de la parte celeste) es muy pequeña comparada con las figuras de más arriba de solo ATLAS y CMS. Esta figura indica que el bosón de Higgs podría tener un masa de 125 GeV, aunque también podría tener una masa alrededor de 117 GeV (porque la parte celeste corta el valor unidad en esta región). Esta figura muestra que, al contrario de lo que alguna ha comentado en los comentarios de esta entrada, los datos de ATLAS y CMS no se contradicen y bien combinados refuerzan la señal de un Higgs con una masa alrededor de 125 GeV. La curva amarilla indica la anchur que tendría la señal de un Higgs con esta masa y se ve que se parece bastante a lo obtenido de forma no oficial por Philip. Enhorabuena, Philip, una labor “combinatoria” estupenda.

¿Qué opina el resto de la blogosfera sobre estos resultados?

Peter Woit, “Today’s Higgs Results,” Not Even Wrong, Dec. 13, 2011. Una buena recopilación de enlaces a artículos de ATLAS y CMS sobre el Higgs. Por cierto, los comentarios en NEW siempre merecen un buen paseo.

Ken Bloom, “Don’t let the black dots fool you…,” US LHC Blog, 13 Dec. 2011, es cauto y opina que por ahora no podemos concluir nada con seguridad. Como nos resume Jim Rohlf, “The CERN Higgs seminar,” US LHC Blog, 13 Dec. 2011, las opiniones de Fabiola, Guido y Heuer van también en este sentido. 

Matt Strassler, “What Did I Learn Today, During and After Presentation?,” Of Particular Significance, Dec. 13, 2011, opina que los resultados de ambos experimentos son compatibles con un Higgs de unos 125 GeV, pero que podría no existir el Higgs (en cuyo caso fluctuaciones estadísticas en casi el mismo sentido se habrían observado en ambos experimentos, algo que no es imposible). La señal de un Higgs a 126 GeV de ATLAS a 3,6 sigma (siendo muy optimista) es mejor considerarla a 2,3 sigma (versión conservadora oficial). Hay dos señales de CMS a 120 GeV y a 124 GeV ambas a 2,6 sigma (siendo muy optimista) pero que se reducen a 1,9 sigma (en la versión más conservadora). En resumen, habrá que esperar a los datos de 2012.

Sean Carroll, “Science! It Marches On,” Cosmic Variance, 13 dec. 2011. Os copio un extracto en inglés: “ATLAS gives 3.6 sigma local significance, 2.3 sigma global significance; CMS gives 2.6 sigma local significance, 1.9 sigma global significance (although CMS points to about 124 GeV, while ATLAS points to about 126, which might be important). The difference between “local” and “global” is that the first asks “if I were only looking at this one point in parameter space, how surprising would the result be?”, while the latter asks “what is the chance I would find this kind of deviation somewhere in parameter space?” Nominally the global significance is obviously more relevant.”

Jester, “Visual on Higgs, it seems…,” Résonaances, 13 Dec. 2011. Os copio un extracto en inglés: “The excess in H→γγ peaks around 124 GeV it CMS, and around 126 GeV in ATLAS, which I guess is perfectly consistent within resolution. In the 4-lepton channel, ATLAS has 3 events just below 125 GeV, while CMS has 2 events just above 125 GeV. On top of that there’s the long-standing excess in the H→WW*→l+l-2ν channel, which however is not the driving force anymore. It’s is precisely this overall consistency that makes the signal so tantalizing.”

¿Qué puedo leer en español?

“Los científicos acorralan al bosón de Higgs. Investigadores españoles en el LHC participan en los análisis,” SINC/CPAN, 3 dic. 2011. “El próximo paso es el análisis de los datos que el LHC proporcionará en 2012, entre 10 y 20 femtobarn inversos, esto es, de 2 a 4 veces la cantidad de datos actual, y esta nueva muestra debería permitir confirmar o refutar la existencia de este exceso”, explica a SINC Juan Alcaraz, investigador principal del CIEMAT en el CMS.

“El CERN acorrala la región en la que se esconde el bosón de Higgs,” lainformacion.com, 3 dic. 2011. Fabiola Gianotti afirmó que “creo que sería extremadamente probable que el bosón de Higgs estuviera aquí, pero es demasiado pronto para sacar conclusiones (…) Son necesarios más estudios y datos. Los próximos meses serán emocionantes. No sé cuáles serán las conclusiones.”

Kanijo, “Permanecen posibles pistas del Higgs en los últimos análisis,” Ciencia Kanija, 13 dic. 2011(traducción de “Possible Hints of the Higgs Remain in Latest Analyses,” BNL, Dec. 13, 2011). A lo largo de los próximos meses, los experimentos CMS y ATLAS se centrarán en refinar sus análisis a tiempo para las conferencias de física de partículas de invierno, en marzo. Los experimentos reanudarán la toma de datos en la primavera de 2012.

Ismael Pérez, “¿El Higgs acorralado?,” Homínidos, 13 dic. 2011. “Hay una analogía estupenda para intentar visualizar como el Higgs dota de masa a las partículas. Imagina que estás mirando una playa completamente desierta. De pronto, en la playa entra un vendedor de helados son su carrito. Nada extraordinario sucede, simplemente ves como el vendedor de helados cruza la playa sin mayor problema. Ahora imagina que la playa no está desierta sino que está llena de niños. Cuando el vendedor de helados entra en la playa todos los niños se dirigen hacia él para comprar sus helados favoritos. El resultado es que el vendedor de helados se desplazará más lentamente que en el ejemplo anterior, los niños frenan su avance. Ahora supongamos que los niños son invisibles para nosotros, entonces observamos que el vendedor de helados sin razón aparente se empieza a mover mucho más despacio, es como si de repente tuviera mucha más masa.”

“¿El Higgs acorralado?,” Amazings.es, 13 dic. 2011. Una imagen de la transparencia de conclusiones de Guido Tonelli junto a enlaces sobre el Higgs de los Amazers.

PS: La evolución de la búsqueda del Higgs según Google Trends

Un modelo biomimético de la retina humana basado en memristores nanotecnológicos

El futuro de la ley de Moore son los memristores, dispositivos nanotecnológicos que ahora permiten desarrollar memorias flash ultrarrápidas e “inteligentes”. Sin embargo, desde su descubrimiento teórico en 1971 por Leon O. Chua, el memristor también se ha propuesto como modelo de redes de neuronas. Lo último sobre esto es el modelo biomimético de la retina propuesto por científicos húngaros y británicos, donde la parte “inteligente” de la retina está basada en memristores; gracias a ellos este nuevo modelo permite un amplio rango dinámico (ver tanto imágenes muy oscuras como muy claras), además de un reconocmiento automático de bordes. Por ahora estas retinas artificiales nanotecnológicas son solo modelos teóricos (los autores del artículo han simulado unos pocos fotorreceptores utilizando Matlab y PSPICE), pero dentro de pocos años podría haber prototipos de laboratorio; en mi opinión, el futuro de estas aplicaciones de los memristores es muy prometedor. El artículo técnico es Andras Gelencser, Themistoklis Prodromakis, Christofer Toumazou, Tamas Roska, “A Biomimetic Model of the Outer Plexiform Layer by Incorporating Memristive Devices,” ArXiv, 3 Dec 2011.

El modelo de Gelencser y sus colegas considera la zona intermedia de la retina (capa OPL) en donde se encuentran las células bipolares y las células horizontales, dos tipos de neuronas. Las neuronas disponen de dos terminaciones, una dendrita y un axón. Como muestra la figura, la dendrita conecta las células bipolares con las células fotorreceptoras (los conos y los bastones), mientras que el axón sirve para realizar la conexión con la capa celular más externa de la retina, formada por las llamadas células ganglionares de las que parte el nervio óptico. Las células horizontales permiten una conexión “horizontal” entre las células bipolares, pero también son sensibles a la luz y permiten el gran rango dinámico que presenta la retina (sobre todo a la hora de adaptarse a situaciones con muy poca luz ambiental). Ambos tipos de neuronas son simuladas por un memristor adecuadamente conectado, que además, simula bien sus propiedades más importantes. Al usar el mismo elemento nanoelectrónico para dos tipos de neuronas diferentes se simplifica su implementación física.