El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría

Mucha gente opina que si la supersimetría no se observa en el LHC del CERN, el modelo estándar se convertirá en una teoría aburrida y con pocas sorpresas. Todo lo contrario, hay muchos problemas en el modelo estándar para los que la supersimetría no aporta ninguna solución. La física de precisión de baja energía, que ya dio la sorpresa al descubrir que los neutrinos tienen masa en reposo, es un portal que permitirá acceder a física más allá del modelo estándar fuera del alcance de los grandes aceleradores de partículas. Parafraseando a Feynman «There’s Plenty of Room at the Bottom.»

La física de precisión de baja energía promete muchas sorpresas en los próximos años. El problema del «sabor,» por qué hay tres generaciones de partículas elementales y por qué son tan diferentes las masas del quark top y del quark arriba, no tiene solución en el contexto de la supersimetría. Tampoco lo tienen las violaciones de la simetría CP y la explicación de por qué se aniquilaron la materia y la antimateria con un ligero exceso de materia. Los grandes experimentos del LHC, tanto ATLAS como CMS, así como LHCb y los más pequeños, prometen noticias jugosas incluso si las partículas supersimetrías o las dimensiones extra del espaciotiempo están fuera de nuestro alcance en las próximas décadas. Nos lo ha recordado de forma estupenda Matthias Neubert (Johannes Gutenberg University Mainz), «Flavor Theory: Flavor as a portal beyond the Standard Model,» International Europhysics Conference on High-Energy Physics, EPS HEP 11, Grenoble, France, 21-27 July 2011.

Matthias empieza recordando que durante dos décadas las supersimetría ha sido la estrella de la física más allá del modelo estándar. La física del «sabor» ha sido ignorada y se ha llegado a decir que era irrelevante para el descubrimiento de nueva física a alta energía. Quizás, porque la supersimetría tiene poco que decir respecto a la física del «sabor.» La situación ha cambiado en los últimos años.

La vía fácil para encontrar nueva física más allá del modelo estándar es encontrar nuevas partículas elementales (fermiones) o nuevas interacciones fundamentales (bosones vectoriales). Sin embargo, no podemos olvidar que esta nueva física también afecta a los parámetros de precisión del modelo estándar. Pequeñas desviaciones debido a las correcciones cuánticas introducidas por nuevas partículas virtuales que son señales indirectas de la existencia de estas nuevas partículas. Estas pequeñas desviaciones se pueden estudiar incluso si la masa en reposo de las nuevas partículas las coloca fuera del alcance de las colisiones en el LHC del CERN.

El gran problema de los estudios de alta precisión de los parámetros del modelo estándar es que se requiren, en pie de igualdad, avances en el frente teórico y en el experimental. Se han de desarrollar (y se están desarrollando) nuevas técnicas para calcular con precisión las predicciones del modelo estándar. Ya que en muchos casos las medidas experimentales son más precisas que las estimaciones teóricas, ocultando cualquier posible pequeña desviación. Por ejemplo, la desviación a casi 4 sigma observada por DZero (Tevatrón) con 8 /fb de colisiones respecto a una posible violación CP en la mezcla de los bosones-B (que muestra la figura de arriba, derecha), se considera una señal de nueva física, pero podría ser debida al efecto de las correcciones de alto orden no tenidas en cuenta en las predicciones teóricas actuales. Muchos parámetros del modelo estándar tienen intervalos de incertidumbre y los análisis de sensibilidad sobre su efecto en los cálculos son de gran dificultad porque afectan vía correcciones cuánticas aún no determinadas. Otro ejemplo es la desintegración anómala de mesones-B en pares de muones, observada por CDF (Tevatrón). Por ahora, ni LHCb, ni CMS, ni ATLAS han observado estos efectos, pero aún han acumulado pocas colisiones como para que se pueda afirmar que refutan las observaciones del Tevatrón. Más información en la charla de Guy Wilkinson (University of Oxford), «News from the flavour frontier -heavy quark physics at the LHC,» EPS HEP 2011, Grenoble, 27/7/11.

Por ahora el LHC del CERN está ratificando el modelo estándar sin observar ninguna desviación apreciable (con su sensibilidad actual). Sin embargo, si el Tevatrón necesitó 25 años para observar algunas pequeñas desviaciones, es muy posible que, si existen, el LHC pueda observarlas en mucho menos tiempo. Según Matthias es muy posible que muchos pequeños efectos nos aguarden escondidos entre las futuras colisiones del LHC. En la física de partículas elementales, y sobre todo en la física de precisión de baja energía, el tiempo y la paciencia son los mejores aliados.

PS: En relación a las anomalías observadas en el Tevatrón, merece la pena la emotiva charla de Diego Tonelli (Fermilab), «Heavy flavor at the Tevatron,» EPS HEP 2011, Grenoble, July 27, 2011.

PS: Por cierto, ya que estamos, también recomiendo la lectura de Flip Tanedo, «The Birds and the Bs,» Quantum Diaries, July 22nd, 2011. Flip describe muy bien lo que se sabe sobre la desintegración de los mesones-B en pares de muones.

El juego del bosón de Higgs: El guante ha sido recogido y el duelista ha recibido su premio

El verano pasado se me ocurrió proponeros un juego, «El juego del bosón de Higgs,» combinar a “ojo de buen cubero” los resultados de CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab. Nadie recogió el guante en este blog. Algún lector, en persona, me comentó que le parecía imposible jugar a un juego tan difícil. Visto el fracaso, este año decidí olvidar el asunto. Sin embargo, Philip Gibbs recogió el guante y decidió publicar en su blog el resultado combinado «a ojo de buen cubero» para los experimentos ATLAS y CMS del LHC en el CERN (arriba tenéis la figura final, más detalles sobre cómo ha sido obtenida en «Higgs Combos«); más aún, Philip se ha atrevido ha combinar los datos del Tevatrón y del LHC (combo ALTAS+CDF+CMS+DZero), la rehostia padre (abajo tenéis la figura con el resultado final). Un buen trabajo siempre tiene premio y Philip ha obtenido el suyo esta mañana. En la charla de coordinación de los técnicos del LHC en el CERN, su gráfica ha coronado la presentación en powerpoint (que se inicia con una foto de la película Rocky y finaliza con la figura de Philip). Enhorabuena, Philip. Te lo has merecido.

Obviamente, queridos lectores, en  «el juego del bosón de Higgs» yo no os pedía un trabajo tan fino como el de Philip, quien ha utilizado Excel y ha combinado los intervalos de incertidumbre para las medidas de cada experimento suponiendo que son sucesos independientes para la misma distribución estadística. Esta manera de combinar las figuras no es rigurosa ya que la figura correcta requiere combinar los eventos (las colisiones candidatas a ser debidas a un Higgs) y aplicar criterios comunes para la selección de los eventos que se combinan (dos experimentos diferentes que trabajan de forma independiente suelen aplicar criterios diferentes que hay que unificar en una resultado combinado). Además, si es difícil combinar ATLAS y CMS, o CDF y DZero, no os podéis imaginar lo que difícil que es combinar LHC con el Tevatrón (colisiones de diferente tipo y a diferente energía son casi imposibles de combinar sin usar gran número de hipótesis teóricas). Aún así, el resultado de Philip tiene gran mérito.

Lubos Motl, siguiendo la estela de Philip Gibss, también ha hecho lo propio y ha presentado su propia combinación Tevatrón+LHC en «Tevatron+LHC Higgs synthesis: 111-131 GeV» (ha utilizado los mismos datos que Philip, pero un método estadístico de combinación diferente). El resultado de su combinación es la figura de arriba. Os recomiendo leer su entrada para los detalles estadísticos sobre como ha realizado la combinación. También os podéis descargar el fichero Mathematica (.nb) que ha utilizado para ello.

 Ni siquiera yo hubiera hecho un trabajo tan bueno como el de Philip y Lubos como respuesta el «juego del bosón de Higgs.» Así que enhorabuena a ambos, Philip y Lubos, por vuestra labor. Sin ningún tipo de rigor científico (hay que combinar eventos no figuras), la belleza de estas figuras bien merece un aplauso. ¡Plas, plas, plas!

Toda la blogosfera habla de las primeras señales de un bosón de Higgs con una masa de unos 140 GeV/c²

Hoy, a la hora de comer me he encontrado con un meneador (que no meneante) que me ha echado en cara no haber escrito ninguna entrada sobre la fuerte evidencia sobre la existencia de un bosón de Higgs con una masa entre 135 y 145 GeV/c² (la cifra depende de quien lo cuente). Esta evidencia ha sido obtenida comparando los resultados de ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del LHC en el CERN. Según él todos los blogs en inglés se están haciendo eco de este resultado y en español, el blog de referencia,  gracias amigo por el piropo, aún no lo ha hecho. Mea culpa.

Lo siento, pero en mi opinión, como he tratado de aclararle en persona, todo esto no es más que una mera fluctuación estadística. Pura coincidencia. Habrá que esperar al miércoles para poder contar algo al respecto cuando se publique el resultado combinado del Tevatrón, CDF+DZero. Aún así, amigo, lo prometido es deuda (sobre todo cuando va bañado con una cerveza). Un listado de fuentes para meneadores y un resumen al final de propia cosecha.

NATURE = Geoff Brumfiel, «Collider sees tantalizing hint of Higgs. Excess events suggest LHC is homing in on elusive particle,» Nature News, 22 July 2011.

SCIENCE = Adrian Cho, «Particle Physics: One Year On, LHC Sees Hints Of Higgs—And Nothing Else,» Science 333: 507, 29 July 2011.

Pauline Gagnon, «Small ripple shakes a roomful of physicists,» Quantum Diaries, July 22nd, 2011.

Matti Pitkanen, «Victory after all!,» TGD Diary, 24 July 2011.

Matt Strassler, «ATLAS and CMS Summarize Their Higgs Searches,» y «A Historic Day? Or Just an Important One?,»  Of Particular Significance, July 22, 2011.

Jon Butterworth, «Exclusion limits: The Higgs boson fights back,» Life and Physics, 22 July, 2011.

Lubos Motl, «Why a Higgs boson could also have mass 144 GeV,» The Reference Frame, July 24, 2011.

Philip Gibbs, «Where is the Higgs Boson?,» viXra log, July 25, 2011.

Tommaso Dorigo, «Combined Higgs Search Limits, Circa 2011,» A Quantum Diaries Survivor, July 24th 2011.

Paul Rincon, «Is the Large Hadron Collider closing in on Higgs particle?,» BBC News, 25 July 2011.

Rebecca Boyle, «Fresh Data From CERN and Tevatron Gives A Glimpse of the God Particle,» Popular Science, 07.25.2011.

Duncan Geere, «Large Hadron Collider sees glimpse of Higgs particle,» Wired.co.uk, 25 July 2011.

Y muchas otras fuentes…

En resumen. El pasado 22 de julio, los físicos de ATLAS ignoraban el resultado obtenido por los físicos de CMS en relación a la búsqueda del Higgs. Los físicos de ATLAS observaron una fluctuación estadística que apunta a un Higgs con una masa de unos 140 GeV/c². Lo normal es que CMS no hubiera mostrado dicha fluctuación, o que mostrara una fluctuación en sentido contrario. Sin embargo, los físicos de CMS también observaron una fluctuación similar. ¿Qué significa esta coincidencia? En mi opinión, una simple coincidencia. En opinión de algunos, una coincidencia es una coincidencia hasta que deja de serlo. Las primeras señales del Higgs serán gracias a una coincidencia de este tipo. De ahí el revuelo mediático. Pero en mi opinión personal, lo confieso, no soy experto, todo apunta a una mera concidencia. Para más detalles, os recomiendo leer a Tommaso Dorigo, siempre con los pies en la tierra (o en la arena, que ahora está de vacaciones en una playa paradisíaca).

Hoy, rueda de prensa con los últimos resultados del LHC en el CERN

Hoy, 25 de julio de 2011, a las 13:30 (hora de Grenoble, Francia; la misma que en Madrid), habrá una rueda de prensa que presentará los últimos resultados obtenidos por el LHC en física de partículas («Press conference – LHC and particle physics: latest results and new challenges»). La rueda de prensa forma parte de la International Europhysics Conference on High Energy Physics – HEP 2011. Será retransmitida en directo vía webcast: http://webcast.in2p3.fr/live/HEP2011. Se admitirán preguntas y cuestiones vía twitter. Trataré de verla en directo y manteneros informados al respecto.

Otro barión-B descubierto en el Tevatrón, quizás ya el último

La noticia ha salido en muchos medios, pero para los que aún no se han enterado… El experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab ha descubierto un nuevo barión-B formado por tres quarks usb (arriba+extraño+fondo). Puede parecer un descubrimiento menor pues todo el mundo da por hecho que este barión existía y la estimación de sus propiedades indicaba que se descubriría pronto, bastaba acumular el número apropiado de colisiones. Lo mismo pasa con los tres bariones en azul en la figura de arriba (dbb, sbb y ubb), los tres con dos quarks b (fondo) están aún por descubrir. Este barión quizás sea el último que se descubra en el era del Tevatrón (que finalizará sus colisiones el 30 de septiembre). Los tres que quedan por descubrir caerán en las búsquedas del próximo año en el LHC (quizás en el LHCb). Estos bariones son difíciles de detectar y se requieren muchas colisiones para lograrlo, pero la ventaja energética del LHC es difícil de superar para el Tevatrón.El experimento CDF ha utilizado 4,2 /fb de colisiones y ha observado solo 25,3 ± 5,5 bariones Ξb neutros, estimando su masa en 5787,8 ± 5,0 (stat) ± 1,3 (sys) MeV, en buen acuerdo con las predicciones teóricas. El nuevo resultado se ha presentado en el EPS HEP 11, en la charla de Peter Bussey, «Studies of bottom baryons at CDF,» 22 june 2011, pero tras la aparición del artículo técnico en CDF Collaboration, «Observation of the Xi_b^0 Baryon,» ArXiv, 20 Jul 2011. Recomiendo, como siempre, leer a Tommaso Dorigo, «A New Beautiful Baryon Bagged By CDF,» A Quantum Diaries Survivor, July 20th, 2011.

Algún lector se preguntará… por qué no aparecen los bariones formados por uno o varios quarks top (cima) en figuras que las que se listan todos los bariones. La razón es que el quark top es tan pesado que se desintegra tan rápido en partículas de menor masa que no tiene tiempo de formar hadrones (bariones o mesones) que puedan ser detectados. Las estimaciones teóricas indican que los mesones-T y los bariones-T (formados por 1, 2 o 3 quarks/antiquarks top) no pueden ser observados en el LHC del CERN, y ni mucho menos en el Tevatrón del Fermilab. Aún así, los bariones-B con dos quarks b (bottom o beauty, como prefieras) serán descubiertos por el LHC del CERN, que ya ha recogido el guante de su competidor.

Por cierto, el LHC ya ha cogido ritmo y está produciendo gran número de colisiones utilizando 1380 paquetes de protones. El fill #1962 (20 Jul 2011), con una duración de 15:26 horas, logró acumular 46,3 /pb en ATLAS y 43,6 /pb en CMS. Los fill #1966 (22 Jul 2011) y #1967 (23 Jul 2011) también fueron bastante largos, con 8:35 y 11:26 horas de colisiones. Ahora se ha empezado a subir la luminosidad instantánea controlando varios parámetros. Todo apunta a que el proceso será todo un éxito. Ya os contaré. ATLAS y CMS ya tienen grabadas en disco 1,39 y 1,36 fb^-1 de colisiones en 2011.

PS (27 julio): Merece la pena leer a Brian Dorney, «Gell-Mann’s Eight Fold Way,» Quantum Diaries, July 24th, 2011.

Los límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs obtenidos por ATLAS y CMS con colisiones de 2011 en el LHC del CERN

Hoy es el día más esperado de este verano para los físicos de partículas elementales. Se publican los resultados de las búsquedas del bosón de Higgs en los dos grandes experimentos del LHC del CERN, llamados ATLAS y CMS. Kyle Cranmer (Universidad de Nueva York) ha resumido los resultados obtenidos por ATLAS para el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar: Se excluyen los intervalos de masas de 155 a 190 GeV/c² y de 285 a 400 GeV/c², ambos con un nivel de confianza del 95%; además,  se ha encontrado un exceso interesante a 2,8 desviaciones estándares en el intervalo de masas de 120 a 145 GeV/c². Andrey Korytov (Universidad de Florida) ha resumido los resultados obtenidos por CMS para la búsqueda del Higgs predicho por el modelo estándar: Se excluyen los intervalos de masas de 149 a 206  GeV/c², de 300 a 440 GeV/c², y partes en la región de 200 a 300 GeV/c² todos al 95% de nivel de confianza (al 90% C.L. se excluye todo el intervalo de 145 a 480 GeV/c²); también se observa un exceso (menor que ATLAS) en el intervalo de masas de 120 a 145  GeV/c². ¡Resultados espectaculares! La combinación de ambos búsquedas (ATLAS+CMS), que se publicará el próximo miércoles, en mi opinión, podría excluir el bosón de Higgs en todo el intervalo de masas de 150 a 500 GeV/c². Los excesos observados entre 120 y 145 GeV/c² podrían ser meras fluctuaciones estadísticas y en el resultado combinado no creo que lleguen a superar 3 σ (desviaciones estándares), pero también podrían apuntar con el dedo al Higgs. Las conferencias de invierno de este año prometen ser apasionantes.

Más información, desde dentro del EPS HEP 11, relatada por Matt Strassler en su blog «Of Particular Significance,» July 22, 2011. Todas las figuras de exclusión del Higgs que quieres ver ahora mismo sobre los diferentes canales de desintegración estudiados por ALTAS y CMS te las ha recopilado Philip Gibbs en «Big Day for Higgs Boson,» viXra log, July 22, 2011.

Voy a presentarte solo las más interesantes. Las figuras de exclusión combinadas de ATLAS han sido publicadas en la charla de Kyle Cranmer (NYU), «Combined ATLAS Standard Model Higgs Search with 1/fb of Data at 7 TeV,» EPS-HEP 2011, 22 July 2011, y son las siguientes:

Esta segunda figura es la más interesante pues muestra un curioso exceso a 2,8 sigma en la región de 120 a 140 GeV/c², aunque ya sabéis que en mi opinión no será más que una fluctuación estadística (estos días estoy algo escéptico). Lo más interesante de estas figuras es que son mejores (excluyen un intervalo más grande de masas) que las obtenidas por los experimentos del Tevatrón en el Fermilab. Los canales de desintegración del Higgs que se han estudiado para obtener estas figuras son los siguientes (como es obvio en EPS HEP 11 también se han publicado figuras similares a estas para cada uno de los canales por separado).

Las figuras equivalentes a estas pero obtenidas por CMS todavía no están publicadas en la web. Pero lo estarán pronto y actualizaré esta entrada con ellas.

PS: Esta tarde ha caído el servidor INDICO de la conferencia (ya vuelve a estar disponible), quizás por eso Korytov todavía no ha subido las transparencias de su charla. Han aparecido otras, como el límite combinado de CDF del Tevatrón, que muestro en esta figura. Tras analizar 8,2 /fb de datos se excluye el bosón de Higgs del modelo estándar con una masa en el intervalo de 100 a 104,5 y de 156,5 a 173,7 GeV/c². Lo más interesante es la parte baja del rango de masas donde el LHC no puede competir con el Tevatrón. La figura clave aparece en la presentación de Adrian Buzatu (Universidad McGill), «Standard Model Higgs Boson Search Combination at CDF,» EPS-HEP 2011, 22 July 2011 y la copio aquí abajo por completitud.

PS: Las transparencias de la charla de Korytov no acaban de aparecer en INDICO [PS: ya han aparecido aquí], pero CMS ha publicado un noticia con un resumen de los resultados presentados y la gráfica que todo el mundo quiere ver (más abajo), «New CMS Results for the EPS 2011 Conference,» CMS News, 22nd July 2011. La figura se basa en 1,1 /fb de datos y muestra que CMS no ha observado el Higgs en el intervalo de masas estudiado (entre 120 y 600 GeV), pero ha permitido excluir un Higgs del modelo estándar con una masa en los intervalos entre 149 y 206 GeV, y entre 300 y 440 GeV, así como en pequeños intervalos en medio, con un intervalo de confianza del 95% C.L. Si bajamos la confianza a 90 %, se excluye el Higgs en el intervalo de masas entre 145 y 480 GeV. Esta figura no coincide que la que se filtró por error hace un par de semanas (comparar con «Explicación de la primera figura de exclusión de masa para el bosón de Higgs con datos de 2011 del LHC en el CERN«).

Aunque no está ilustrado en esta figura, en la noticia de CMS también nos informan que si se considera una cuarta familia de partículas elementales dentro del model0 estándar (el llamado modelo SM4) se puede excluir un bosón de Higgs en el rango de masas entre 120 y 600 GeV al 95% C.L.

La noticia también nos comenta otros resultados: Los squarks (compañeros supersimétricos de los quarks) se excluyen con una masa inferior a 1,2 TeV (para un amplio rango de parámetros de la supersimetría); los bosones débiles extra W′ y Z′ se excluyen con masas inferiores a 2,27 TeV y 1,94 TeV, resp.; las partículas de Kaluza-Klein en el modelo de Randal-Sundrum se descartan con una masa inferior a 1,5 TeV; se descarta la producción de agujeros negros en el LHC con una masa menor de 4 TeV y según el modelo hasta menor de 5 TeV; etc. Todos estos resultados en la noticia citan como fuente a artículos que aún no están disponibles, supongo que actualizarán el enlace cuando lo estén.

Más resultados del primer día del congreso EPS HEP 2011

Si eres lector habitual de este blog ya sabes que la gran conferencia de física de partículas de este verano se está celebrando ahora mismo, la Europhysics Conference on High-Energy Physics 2011. Pocos resultados aguantarán hasta agosto (salvo quizás el resultado de exclusión de masa combinado del LHC (ATLAS+CMS) que se publicará en la conferencia Lepton Photon 2011 a finales de agosto). Resumir todas las charlas de los primeros tres días es casi imposible pues son muchísimas y no he podido ver las transparencias de todas (aunque sí de muchas de ellas, ¡vicios que tiene uno!). Las charlas plenarias serán a partir del lunes y serán más interesantes a nivel divulgativo por dos razones: por un lado, serán retransmitidas vía webcast, y por otro lado, resumirán de mano de grandes expertos todos los resultados presentados en los días anteriores, aderezados con ciertos resultados reservados para dichas charlas. Aún así, permíteme un breve resumen.

Las colisiones de 2011 en el LHC han restringido el intervalo de valores posibles para la supersimetría a baja energía. Como nos resumen Philip Gibbs en «SUSY was not round the corner» (merece la pena ver las figuras) y Peter Woit en «Results from EPS-HEP 2011,» el experimento ATLAS ha dejado poco hueco para los squarks (los supercompañeros de los quarks) y para los gluinos por debajo de 1 TeV. La gran luminosidad integrada del LHC pronto explorará todo el espectro que puede explorar de masas para estas partículas y todo apunta a que excluirá a la supersimetría de baja masa.

Por supuesto, no todo en la física de partículas aparece en el EPS HEP 2011. Tommaso Dorigo se ha hecho eco del resultado negativo por parte de CMS en relación a la asimetría adelante-atrás (forward-backward) en la producción de pares de quarks top-antitop (los top prefieren seguir la dirección del haz de protones que los generó en mayor medida que los antitop). Jester también se ha hecho eco de este interesante resultado, que ahora no tengo tiempo de discutir en detalle.

Por cierto, Tommaso también se ha hecho eco del descubrimiento de uno bariones (partículas formadas por tres quarks) que aún no habían sido descubiertos. En concreto el barión Ξ_b⁰, formado por tres quarks usb (up, strange y bottom). Por cierto, aún no ha observado ningún barión con dos quarks bottom (aunque nadie duda de que el LHC los logrará ver en los próximos meses). El artículo técnico del Tevatrón con este descubrimiento es CDF Collaboration, «Observation of the Baryonic Flavor-Changing Neutral Current Decay Lambda_b to Lambda mu+ mu-,» ArXiv, 19 Jul 2011. Nota de prensa: «Fermilab experiment discovers a heavy relative of the neutron: photos and graphics,» July 20, 2011 (conviene ver los gráficos que acompañan la noticia).

 

Publicados los primeros análisis de más de un inverso de femtobarn de colisiones en el LHC del CERN

Se acaban de hacer públicos los primeros resultados obtenidos en el experimento ATLAS del LHC en el CERN tras analizar más de 1 /fb (inverso de femtobarn) de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. (en concreto 1,21 /fb de eventos dimuónicos y 1,08 /fb de eventos dielectrónicos). Se excluye un nuevo bosón vectorial Z’ (Z prima) con una masa inferior a 1,83 TeV; también se excluye un gravitón masivo (tipo Kaluza-Klein según la teoría de Randall-Sundrum) con una masa inferior a 1,63 TeV. Estos nuevos límites superan con creces a los mejores límites obtenidos hasta el momento con datos de colisiones de 2010 y/o gracias al Tevatrón del Fermilab. Te recuerdo que un nuevo bosón vectorial Z prima implica la extensión más sencilla de las simetrías gauge del modelo estándar, en concreto a SU(3)×SU(2)×U(1)×U'(1); la figura de exclusión de la que se obtenido el resultado anterior aparece más abajo en esta entrada. Por otro lado, el modelo de Randall-Sundrum supone que el universo tiene 5 dimensiones, una de ellas compactificada con un tamaño muy grande, submilimétrico, que en energía equivale a una escala del orden de los TeV; dicho modelo permite que el gravitón en cuatro dimensiones se propague en esta quinta dimensión (excite modos de Kaluza-Klein en la quinta dimensión) lo que en nuestro mundo tetradimensional implicaría la aparición de partículas de Kaluza-Klein con una masa del orden de los TeV. Por tanto, el nuevo resultado de ATLAS excluye una dimensión extra del espaciotiempo mayor de unos 0,2 mm (el cálculo exacto depende de cómo esté compactificada). En resumen, el congreso EPS-HEP-11 (Europhysics Conference on High-Energy Physics 2011), que se ha iniciado hoy mismo, promete resultados muy interesantes. Las figuras de esta entrada están extraídas de los pósteres de Simon M. Viel, «Search for high mass dimuon resonances in the ATLAS experiment at sqrt(s) = 7 TeV at the LHC,» y de Sarah Heim, «Search for high mass dielectron resonances at ATLAS,» ambos en la sesión Higgs and New Physics.

Algunas espinitas clavadas en el camino de rosas del LHC durante 2011

Todo camino de rosas oculta espinas, pero si son pequeñas no hacen daño. El LHC del CERN tiene varias espinitas clavadas, pero la que más daño le hace son los UFOs (Unidentified Falling Objects). El gran problema de los UFOs es que su presencia depende de la energía de los haces. Con una energía por haz de 450 GeV son muy raros; con 1,38 TeV por haz ocurren unos 3 UFOs cada 36 horas; pero con 3,5 TeV por haz son unos 8 UFOs por hora. Se está utilizando un sistema de detección de UFOs que utiliza un umbral; si el UFO no supera dicho umbral no se hace nada y se mantiene la máquina en funcionamiento; se han observado unos 5000 UFOs que no han superado el umbral (que se incrementó en 2011 respecto a 2010); más aún, la mayoría de los UFOs está muy por debajo del umbral. Hasta el momento solo 29 UFOs han superado el umbral provocando el corte de los haces (beam dump), 18 en 2010 y 11 en 2011. Nos cuenta todo lo que sabe sobre los UFOs a día de hoy Tobias Baer, «UFO Update,» Mini-Chamonix Workshop, July, 15th 2011.

Para tener una mejor idea de lo que suponen los UFOs, aquí van un par de ejemplos de su efecto sobre los haces. En el fill #1900 (27  junio de 2011) con haces estables durante 19:54 horas, se observaron 32 UFOs en un haz (B1) y 5 UFOs en el otro haz (B2). De hecho, 17 de los UFOs en el haz B1 ocurrieron durante un periodo de 6 minutos. Ninguno de estos UFOs superó el umbral (el mayor UFO alcanzó el 65% del umbral). En el fill #1901 (28 de junio de 2011) con haces estables durante 13:48 horas, se observaron 41 UFOs en el haz B1 y 12 UFOs en el haz B2. Se observaron la friolera de 16 UFOs en el haz B1 concentrados en un periodo tan corto como 2:20 minutos. El mayor UFO alcanzó el 63% del umbral. Te recuerdo que estos dos fills han sido de los más largos de 2011.

¿Qué son los UFOs? Todavía no se sabe lo que son, pero se cree que podrían ser pequeñas partículas de polvo dentro del túnel del LHC (recuerda que tiene 27 km de longitud). Se pueden usar los haces de protones para obtener una imagen de los UFOs, si su diámetro es mayor que el del haz; también se pueden usar los UFOs para obtener una imagen del haz, en caso contrario. Gracias a ello se sabe que los UFOs tienen un tamaño medio de 1 μm y que se mueven a unos 0,63 m/s; esta velocidad corresponde a la de una caída libre de unos 22 mm, lo que apunta a que se trata de partículas de polvo que se desprenden de la parte superior del interior del túnel y caen a la parte inferior del mismo. ¿Cómo afectarán los UFOs al LHC a máxima energía? No se sabe, pero todos esperamos que cuando en 2014 se inicien colisiones a 14 TeV c.m. los UFOs sigan molestando tan poco como hasta ahora.

Uno de los lectores de este blog me ha preguntado por el estado actual del famoso «hump» del LHC, una excitación externa que hace oscilar los haces en un plano vertical, que afecta más al haz B2 que al B1, al contrario que los UFOs, pero no se sabe por qué y aparentemente no tienen relación un fenómeno con el otro. La frecuencia de esta misteriosa oscilación fluctúa alrededor de los 8 kHz y su amplitud decrece con el inverso del momento de los haces. La señal en el haz B2 es independiente de la señal en el haz B1 y todo indica que se trata de una oscilación horizontal del campo magnético dipolar generado por los imanes superconductores cuya amplitud es independiente de la energía de los haces. Todavía no se sabe cuál es su origen. La figura de arriba está extraída de Rhodri Jones (CERN Beam Instrumentation Group), «LHC Beam Instrumentation & Future Developments,» Workshop on Optics Measurements, Corrections and Modeling for High-Performance Storage Rings, 21st June 2011, CERN. Más información en G. Arduini, «Hump: How did it impact the luminosity performance and status,» 2nd Evian 2010 Workshop on LHC Beam Operation, Evian-les-bains, France, 7-9 Dec 2010, pp. 225-231.

El «hump» tiene un efecto negativo sobre la luminosidad, pues afecta a la emitancia vertical de los haces; la emitancia (ε_n) crece de forma explosiva (blow-up) cuando aparece el «hump» y como está en el denominador de la fórmula para la luminosidad instantánea (ver la entrada anterior), ésta decrece muchísimo por momentos, pero el «hump» desaparece y la luminosidad recupera su valor. Se estima que el «hump» ha provocado pérdidas del orden del 20% en la luminosidad de los haces. Aún así, el «hump» no es ningún problema y se han tomado una serie de contramedidas que permiten convivir con él sin mayores dificultades. Si no puedes luchar contra tu enemigo, alíate a él. De hecho en el Mini Chamonix de ayer ninguna de las charlas ha mencionado el «hump.»

PS (17 julio 2011): El mayor UFO nunca visto en el LHC ocurrió hoy domingo 17 de julio a las 05:52:34 (hora de Suiza) en el fill #1953. Los tres últimos fills han estado bastante plagados de UFOs intensos y se ha propuesto por parte de los técnicos duplicar el valor del umbral.

Hoy se ha decidido la estrategia a seguir para el resto de este año en el LHC del CERN

Un año tiene 365 días, pero se estima que solo durante unos 144 días el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN está funcionando en modo colisiones protón-protón (pp). Por tanto, durante 2011 todavía quedan unos 87 días de colisiones pp a 7 TeV c.m. (en realidad quedan unos 107 días, pero no todos se dedicarán a colisiones). Hoy, en el Workshop «Mini Chamonix» (CERN) se ha decidido la estrategia a seguir para lo que queda de este año. Se continuará con 1380 paquetes de protones separados por 50 ns, relegando la posibilidad de utilizar 25 ns para el año 2012 (la decisión final se tomará en febrero).  Si se continuara con la luminosidad alcanzada a finales de junio, se lograría acumular unos 3,5 /fb de colisiones en ATLAS y CMS, y 1 /fb en LHCb. Sin embargo, se tratará de seguir aumentando la luminosidad instantánea pico (ahora mismo de 1,28/nb/s) jugando con otros parámetros técnicos con el objetivo de alcanzar los 5 /fb de colisiones en ATLAS y CMS gracias a una luminosidad pico de 3/nb/s. Para alcanzar este gran número de colisiones por segundo se necesitarán unos 30 días de trabajo, con lo que quedarán unos 50 días de colisiones a pleno rendimiento. Hoy mismo se han inyectado 264 paquetes de protones en el fill #1945 que ha durado 3 horas. Este fin de semana se tratará de alcanzar los 840 paquetes y manteniendo estables los haces durante al menos 6 horas. Para en los próximos días volver a inyectar 1380 paquetes y comenzar a jugar con los parámetros técnicos para iniciar el prometido incremento de la luminosidad instantánea.

La fórmula que determina la luminosidad instantánea L nos permite entender qué parámetros pueden mejorarse con objeto de incrementar su valor (hay varias maneras de escribir la fórmula, la de arriba es la más habitual). El número de protones por paquete N y el número de paquetes k_b son los parámetros más obvios pero acarrean un incremento en el número de colisiones apiladas (pile-up) y los grandes experimentos ATLAS y CMS han indicado en el Mini Chamonix que no quieren lidiar aún con este incremento; se requiere un control preciso de los disparadores (trigger) que seleccionan qué colisiones grabar en disco y cuales no. Parámetros fáciles de controlar son la emitancia normalizada ε_n, el tamaño del haz en el punto de colisión σ_y, y el parámetro β* (relacionado con la apertura y la colimación de los haces por los campos magnéticos que los guían en el túnel). Estos tres parámetros técnicos serán los que se utilizarán para incrementar L en un factor entre 2,5 y 3. Ya se han determinado los límites para cada uno de estos parámetros en los que la operación de la máquina es segura. Podemos augurar sin equivocarnos que el mes de agosto en el LHC será un nuevo mes de récords sucesivos en cuanto a luminosidad. Crucemos los dedos para que todo vaya como hasta ahora.

Por cierto, más información sobre Mini Chamonix, como no, en Philip Gibbs, «mini-Chamonix – back on for 10/fb in 2011,» viXra log, July 15, 2011.