MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos

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En septiembre de 2011, el experimento italiano OPERA publicó que la velocidad de los neutrinos muónicos es superior a la velocidad de la luz en el vacío. Más tarde se descubrió un error en la medida. Sin embargo, en EEUU, el experimento MINOS logró financiación para medir la velocidad de los neutrinos. Se acaba de publicar el resultado, en 735 km (que separan el Fermilab (cerca de Chicago) de la mina de Soudan, Minnesota) los neutrinos han llegado 6,2 ± 2,4 ns (nanosegundos) más tarde de lo esperado (es decir, como si fueran un poco más lentos que la velocidad de la luz en el vacío). Un resultado a 2,6 σ que indica la presencia de un error sistemático, o bien una fluctuación estadística. Nos lo cuentan en Phil Adamson, «Exceeding the speed limit? Measuring neutrinos to the nanosecond,» Fermilab Today, April 12, 2013.

MINOS ha medido durante dos meses el flujo de neutrinos en Soudan producidos por la colisión de 80 trillones de protones (0,8 × 1020 POT) contra un blanco de grafito en el Fermilab. En la medida del tiempo de vuelo se ha utilizado un procedimiento similar al usado por OPERA, pero mejorado en ciertos detalles. Se usan dos relojes atómicos sincronizados para la medida de tiempos y un sistema de medida de la distancia basado en GPS (en concreto, un sistema redundante con 32 satélites GPS). Por supuesto, el sistema de medida no puede lograr una precisión por debajo de los nanosegundos, cuando para a medida precisa de la velocidad de los neutrinos (y con ella de su masa) se requiere una precisión de femtosegundos (imposible de lograr usando GPS).

En resumen, un resultado esperado que no ha ofrecido ninguna sorpresa.

No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS)

Le ha tocado la lotería de Navidad al experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). El error de OPERA (Laboratorio Nacional de Gran Sasso) al afirmar que los neutrinos eran superlumínicos, ahora ya se sabe que los neutrinos no lo son, y todo el revuelo mediático que generó, ha permitido que el Fermilab reciba unos 250 mil dólares para comprar el equipo necesario para repetir la medida de la velocidad de los neutrinos con una precisión similar a la de OPERA. MINOS está formado por dos detectores, uno situado en el Fermilab, en Batavia, cerca de Chicago, muy próximo a la fuente de neutrinos NuMI (Neutrinos at the Main Injector) y otro situado a 735 km de distancia en la mina de Sudán, al norte de Minnesota. Phil Adamson, físico del Fermilab, encabeza el equipo que ha realizado las compras y la instalación de tres relojes atómicos ultraprecisos, seis receptores de GPS, más de un kilómetro de fibra óptica y los demás equipos necesarios para medir el tiempo de llegada de los neutrinos con un error de pocos nanosegundos. Ahora mismo todo el mundo sabe que los neutrinos no viajan más rápido que la luz en el vacío (ICARUS lo confirmó en marzo y OPERA encontró las fuentes de los errores sistemáticos en su medida), pero como la financiación ha sido concedida, MINOS realizará una nueva medida. Ya se sabe que a caballo regalado no se le mira el dentado. Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, «Particle physics: A matter of detail. American neutrino physicists are getting the measure of their quarry in ultra-high precision,» Nature 484: 308–310, 19 April 2012.

El portavoz de MINOS, Robert Plunkett, físico del Fermilab, dice que el nuevo equipo permitirá una medida mucho más precisa que la realizada en 2007, que encontró que los neutrinos parecían superlumínicos, aunque con un error bastante grande, compatible con que no lo fueran. Unos 30 miembros de la colaboración MINOS (formada por unas 150 personas) están trabajando en dicha medida. Tras la clausura del Tevatrón, la física de los neutrinos es la línea prioritaria de investigación en el Fermilab, siendo NOνA (NuMI Off-Axis Neutrino Appearance) su proyecto estrella (aprobado en 2006). Este proyecto medirá, entre otras cosas, el ángulo δ de violación de la simetría CP en la oscilación de los neutrinos y requiere un incremento en la energía de NuMI; para ello era necesario que MINOS dejara de funcionar durante varios meses (la parada estaba prevista para marzo de 2012). Sin embargo, la nueva inyección de financiación ha resucitado la idea de 2007 sobre la medida de la velocidad de los neutrinos y la mejora de NuMI se retrasará un par de meses, durante los cuales MINOS repetirá y actualizará su medida con mayor precisión. Los resultados seguramente se publicarán en las conferencias de física de partículas de este verano. Tras el posterior incremento de la energía de NuMI, en algún momento de 2013, MINOS será capaz de medir de nuevo el momento de llegada de los neutrinos con un error entre 2 y 7 nanosegundos, similar al de OPERA, pero con neutrinos más energéticos que en 2007. Mientras tanto, los físicos de MINOS, que saben que no observarán neutrinos más rápidos que la luz, aprovecharán para realizar muchas otras medidas, como la búsqueda de neutrinos estériles. Ya se sabe no hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS).

PS (29 abr. 2012): El detector lejano del experimento NOvA ha recibido 283 millones de dólares y ha iniciado su construcción en Minnesota ayer (con inauguración y corte de cinta). <a href=»http://www.northlandsnewscenter.com/news/iron-range/NovA-Far-Detector-Building-Opens-Scientists-Study-Neutrinos-149311085.html»>Noticia en la televisión local</a>.

Nuevo límite de exclusión combinado (CDF+DZero) para la masa del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab

Según LEP2 la masa del bosón de Higgs del modelo estándar es superior a 114,4 GeV/c² con un 95% C.L. (aquí qué significa un límite de confianza estadística). Los experimentos CDF y DZero combinaron sus datos sobre las búsquedas del Higgs y publicaron el año pasado (24 de marzo de 2009 [1]) un límite que excluía un Higgs con una masa en el intervalo 160 < mH < 170 GeV/c². Ahora, con más del doble de datos (es decir, de luminosidad), resulta que dicho intervalo se ha reducido a 162<mH<166 GeV/c². ¡Se ha reducido! Todo el mundo espera que a más datos, los límites de exclusión crezcan, pero no es así siempre. El análisis estadístico de los datos ofrece este tipo de sorpresas. La figura de arriba os muestra el nuevo límite de exclusión combinado (arriba) y los nuevos límites sin combinar obtenidos en el CDF (abajo izquierda [3]) y DZero (abajo derecha [4]). Quizás también os sorprenda que los límites individuales son mucho peores que el resultado combinado, pero esto también es habitual en estadística. A más información (más luminosidad), el resultado combinado, el resultado es mucho mejor.

[1] Tevatron New Phenomena, Higgs working group, for the CDF collaboration, DZero collaboration, «Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb-1 of Data,» ArXiv, 24 Mar 2009. Nota: resultados con una luminosidad de 2,0-3,6 fb-1 en el CDF, y 0,9-4,2 fb-1 en el DZero.

[2] The CDF, the DZero Collaborations: T. Aaltonen, et al. «Combination of Tevatron searches for the standard model Higgs boson in the W+W- decay mode,» ArXiv, 25 Jan 2010. Nota: resultados con una luminosidad de  4,8 fb-1 en el CDF, y 5,4 fb-1 en el DZero.

[3] The CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. «Inclusive Search for Standard Model Higgs Boson Production in the WW Decay Channel using the CDF II Detector,» ArXiv, 25 Jan 2010.

[4] The DZero Collaboration, «Search for Higgs boson production in dilepton and missing energy final states with 5.4 fb-1 of p-pbar collisions at sqrt(s) =1.96 TeV,» ArXiv, 25 Jan 2010.

Los interesados en más información sobre la búsqueda del bosón de Higgs disfrutarán del artículo (gratis) de la profesora Gail G. Hanson, «Searching for the Higgs,» Physics 2: 106, 14 Dec 2009. Los que tengan acceso universitario a Nature, también podrán hacerlo con Jenny Hogan, «Behind the hunt for the Higgs boson,» News, Nature 445: 239, 18 Jan 2007.  También merece la pena leer el artículo del «padre» de la «partícula de Dios,» el Premio Nobel de Física (1988) Leon Lederman, «The God particle et al.,» Nature 448: 310-312, 19 July 2007.

Y ya que estamos, no puedo dejar de recomendar para todos los aficionados a la física de partículas elementales el interesantísimo suplemento de Nature dedicado al LHC del CERN, que contiene 8 artículos de acceso gratuito para todos «Nature Insight: The Large Hadron Collider,» 448: 269-312, 2007. El que más me gusta releer es el del también Premio Nobel de Física (1999) Gerard ‘t Hooft, «The making of the standard model,» Nature 448: 271-273, 19 July 2007.

Ocurrió una vez en la vida, lo han buscado con tesón y no ha vuelto a ocurrir

Dibujo20091010_zoo_event_tevatron_run_i_two_electrons_two_photons_some_missing_energyLos grandes aceleradores de partículas encuentran a veces sucesos extraordinarios muy difíciles de explicar con el Modelo Estándar. Estos sucesos únicos son vueltos a buscar sistemáticamente en muchas ocasiones. A veces, nunca más vuelven a ser observados. La figura de arriba ilustra uno de estos sucesos observado en el Femilab (colaboración CDF) el 18 de abril de 1995. Algo, nadie sabe qué, se desintegró en dos electrones de 36 y 59 GeV, y dos fotones de 30 y 38 GeV, con una pérdida de energía de 53 GeV (posiblemente uno o varios neutrinos no detectados). En 3 billones de eventos observados por CDF entre 1994 y 1995, sólo se observó una sola vez. Esta desintegración no tiene explicación dentro del Modelo Estándar. Hay múltiples explicaciones teóricas, utilizando la supersimetría y sin utilizarla. Se ha buscado este evento en múltiples ocasiones y no se le ha vuelto a observar. La última búsqueda en el Tevatrón Run II tampoco lo ha vuelto a observar, como se publicará próximamente en ArXiv y nos adelanta Tommaso Dorigo en «CDF Kisses Another New Physics Effect Bye-Bye,» A Quantum Diaries Survivor, October 6th 2009. ¿Una mera fluctuación estadística? Quizás.

Los interesados en este tipo de temas, quizás disfruten leyendo el anuncio oficial de dicho descubrimiento en el artículo de Seongwan Park (for the CDF Collaboration), «Search for New Phenomena in CDF – I: Z’, W’ and Leptoquarks» (gratis en fnal.gov). También se suele citar como fuente original el artículo de David Toback (for the CDF Collaboration), «The Diphoton Missing ET Distribution at CDF» (gratis en fnal.gov). Explicaciones teóricas hay muchas (la mayoría se ofrecieron a los pocos meses del anuncio oficial del evento por S. Park). La explicación más reiterada se basa en el uso de la supersimetría, S. Ambrosanio, G. L. Kane, Graham D. Kribs, Stephen P. Martin, S. Mrenna, «Supersymmetric Analysis and Predictions Based on the Collider Detector at Fermilab eegg + Missing Energy Event,» Physical Review Letters 76: 3498-3501, 6 MAY 1996 (ArXiv preprint y pdf gratis). También hay explicaciones no supersimétricas como la de Gautam Bhattacharyya, Rabindra N. Mohapatra, «A Non-supersymmetric Interpretation of the CDF e+e-\gamma\gamma + missing E_T Event,» Phys. Rev. D 54: R4204-R4206, 1996 (ArXiv preprint).

Cuando aparezca el nuevo artículo en ArXiv que nos ha anunciado Tommaso, completaré esta entrada con más datos.

Las fluctuaciones a 2-sigma del Fermilab (posibles descubrimientos futuros si se alcanzan las 5-sigma)

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¿Cuál será el próximo descubrimiento del Fermilab? Nadie lo sabe, lo que sí se sabe son cuales son las señales que se desvían más de lo esperado. Señales que ahora mismo son una mera fluctuación estadística, con sólo 2-sigma de significación. Si en un par de años la evidencia se acumula y se alcanzan las 5-sigma, el Fermilab proclamará un nuevo descubrimiento. En caso contrario, nadie recordará estas fluctuaciones estadísticas sin ningún contenido físico. Por si acaso, cientos de físicos están estudiando estas desviaciones tanto experimental como teóricamente para estar preparados ante un posible descubrimiento. ¿Cuáles son las desviaciones 2-sigma encontradas hasta el momento? Sólo un físico que se encuentre en el ajo puede saberlo. Tommaso Dorigo está en el comité que revisa todos los artículos científicos que se envía para publicación desde el CDF del Fermilab. Tommaso es nuestro hombre y nos lo cuenta en «The Next Discovery of Fermilab,» A Quantum Diaries Survivor, September 21st 2009.

La detección de partículas en los grandes aceleradores es un proceso estocástico sujeto a fluctuaciones estadísticas en los detectores y los algoritmos de análisis. Una desviación en los datos respecto a los modelos teóricos (el Modelo Estándar) sólo es un descubrimiento si es una desviación grande respecto a lo esperado. ¿Qué significa grande? Se utiliza un modelo estadístico (normalmente gaussiano) y se determina la probabilidad de dicha fluctuación estadística utilizando el número de desviaciones típicas de significación estadística. Una fluctuación 2-sigma es una fluctuación con una probabilidad de un 95.5% de volver a ser observada. Una 3-sigma es una fluctuación con una probabilidad del 99.75% de que se vuelva a observar en el futuro. Una fluctuación es un discubrimiento si alcanza las 5-sigma, es decir, si hay una probabilidad del 99.99995% de que vuelva a observarse dicha fluctuación. Por debajo de 3-sigma se considera que se ha observado una simple fluctuación estadística de los datos.

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Permitidme un listado de las 5 fluctuaciones a 2-sigma más prometedoras observadas por la Colaboración CDF que apuntan hacia un futuro descubrimiento en el Fermilab (la selección es mía entre las 10 que propone Tommaso Dorigo y en otro orden).

1) Observación de un nuevo bosón vectorial Z’ (Z-prima). CDF tiene evidencia casi a 3-sigma de la existencia de resonancias a energías de 240 GeV y 720 GeV en eventos que involucran dos leptones de carga opuesta (electrón-positón, muón-antimuón, etc.).  Estas resonancias, de confirmarse, podrían corresponder a un bosón vectorial Z’ con una masa de unos 720 GeV.

2) Observación de un nuevo quark t’ (top-prima). LEP2 del CERN demostró que había sólo 3 generaciones de leptones (en concreto, de neutrinos). Sin embargo, una búsqueda directa en CDF de un quark de cuarta generación, llamado t’, ha ofrecido evidencias de dicha partícula con una masa mínima de 284 GeV y una masa probable de unos 450 GeV.  Sólo el futuro confirmará o desmentirá este resultado, un exceso a 2-sigma.

3) Acoplamiento anómalo entre los bosones vectoriales (fotón, W y Z). CDF ha observado un número mayor del esperado de pares de bosones o dibosones (WW, W-fotón, Z-fotón, etc.). Un exceso a 2-sigma que podría tener diferentes causas, si se confirma, por ejemplo, la existencia de un bosón de Higgs con una masa mayor de 135 GeV.

4) Confirmación de la generación de multimuones anómalos. CDF ha detectado un número mayor de muones (electrones pesados) y con una vida media más larga de lo esperado. Podrían originarse en una nueva partícula neutra aún por descubrir. DZERO no confirmó dicho exceso de muones, pero en CDF creen que futuros datos podrían confirmarlo.

5) Confirmación de la supersimetría en la medida de la fase de la oscilación de bosones B. Los mesones formados por un quark bottom  (b) y quark extraño (s) pueden intercambiarse con sus antipartículas en una oscilación difícil de estudiar teóricamente en el modelo estándar. Los resultados experimentales indican que el valor del parámetro de fase de dicha oscilación difiere a 2-sigma del valor teórico. Una explicación sencilla para esta diferencia la ofrece la supersimetría.

Más allá de estos posibles descubrimientos, en el CDF del Fermilab se está realizando una gran labor de confirmación del modelo estándar con medidas de alta precisión de muchos de sus parámetros. En dicha labor destacan la medida de la masa del quark top, la medida de la masa del bosón vectorial W y la acotación de la masa del bosón de Higgs mediante nuevos intervalos de exclusión.

Recordad, sólo hemos hablado de CDF, en una futura entrada hablaremos de DZERO.

DZERO del Fermilab descarta bosones de Higgs cargados (supersimétricos) de masa inferior a 165 veces la masa del protón

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Dibujo20090701_Feynman_diagram_for_charged_Higgs_boson_production_from_top_quarkEl modelo estándar de las partículas elementales predice solo un bosón de Higgs neutro H0, sin embargo, su extensión más simple que incorpora la supersimetría (MSSM) predice cinco bosones de Higgs, tres neutros y dos cargados (H±). El detector DØ (DZERO) del Tevatrón en el Fermilab ha estudiado la posible desintegración de un quark top en un bosón de Higgs cargado (t →H+b) y ha descartado que existan en el rango de masas de 80 a 155 GeV/c2 con una confianza del 95%. El artículo técnico es The DZERO Collaboration (V.M. Abazov et. al) «Search for charged Higgs bosons in decays of top quarks,» ArXiv, Submitted on 29 Jun 2009.

La búsqueda de los bosones de Higgs cargados predichos por el Modelo Minimal SuperSimétrico (MSSM) ya se realizó en el extinto LEP2 del CERN resultando en que no existían con una masa inferior a 78.6 GeV/c2. Búsquedas indirectas en la desintegración de mesones B han conducido a que su masa no puede ser inferior a 295 GeV/c2, sin embargo, al ser búsquedas indirectas todavía ha lugar a su posible existencia, de ahí la importancia del nuevo estudio de DZERO.

Este resultado de DZERO, como otros del CDF, también en el Fermilab, son un buen punto de partida para plantearnos si estamos asistiendo o no a una revolución científica en el sentido de Khun que lleve al sustituto del Modelo Estándar, o así lo hace E. Donth, en «Comment on «Search for the Standard Model Higgs Boson in the Missing Energy and Acoplanar b-Jet Topology at 1.96$ TeV»,» ArXiv, Submitted on 30 Jun 2009.

Según Donth, las revoluciones científicas que llevan a un cambio de paradigma requieren la competencia fuerte entre múltiples grupos de investigación por todo el mundo. Los grandes experimentos que aúnan a múltiples grupos en una causa común minimizan esta competencia. Por ejemplo, el artículo de la Colaboración DØ tiene 519 autores de 82 grupos de investigación en 35 instituciones por todo el mundo. ¿Cómo se comunican entre sí estos científicos? ¿Cómo contrastan ideas y propuestas (contradictorias) entre ellos? Donth va más allá y alega que la probabilidad de que surga un nuevo paradigma a partir de estos experimentos de «ciencia a lo grande» (Big Science) es muy pequeña, casi despreciable. Por supuesto, su manera de calcular estas probabilidades es muy discutible y controvertida. Pero me ha resultado curisoso su propuesta (el artículo solo tiene una página). Casi todo el mundo cree que el LHC del CERN descubrirá física más allá del Modelo Estándar y este señor está entre los que opinan que no, que ese no es el camino. Curioso.

El Higgs podría descubrirse gracias al roce de dos protones que no lleguen a chocar

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Las partículas elementales no están desnudas. Según la mecánica cuántica, están rodeadas de nubes de partículas virtuales. Existir existen pero no pueden ser detectadas individualmente. ¿Qué pasa si dos nubes de partículas virtuales se rozan sin chocar? Se pueden producir otras partículas igual que cuando chocan dos partículas, pero su choque será mucho más limpio. Un bosón de Higgs de poca masa será muy difícil de detectar en el LHC del CERN. Las colisiones entre protones generan tal explosión de partículas que encontrarlo será como encontrar una aguja en un pajar. Sin embargo, si se rozan las dos nubes de partículas virtuales de cada protón, podrían generarse bosones de Higgs muy limpiamente (unos cientos al año en el LHC). Así lo han propuesto físicos del Fermilab que han logrado generar mesones charmonium (formados por pares de quarks encantado y antiencantado) gracias a dichos roces. El artículo técnico es (otro paper más de Aaltonen) T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), «Observation of Exclusive Charmonium Production and γγ → μ+μ- in pp Collisions at √s = 1.96 TeV,» Phys. Rev. Lett. 102: 242001, 19 June 2009 (ArXiv preprint). Muchos se han hecho eco de este artículo, como «A Higgs Boson without the Mess,» Physical Review Focus, 24 June 2009, traducido al español por César en «Un bosón de Higgs, pero sin el barullo,» Experientia docet, 25 junio de 2009. Os extraigo el primer párrafo [c&p] para que os animéis a leerlo.

«Los físicos de partículas del Large Hadron Collider (LHC) del CERN esperan descubrir el bosón de Higgs entre el barullo de partículas que se generen en las colisiones protón-protón. Los resultados que se publican en el número del 19 de junio de Physical Review Letters muestran que hay una forma de eliminar parte de ese barullo. Un experimento en el colisionador protón-antiprotón Fermilab (Illinois, EE.UU.) ha identificado un proceso poco frecuente que produce materia a partir del intenso campo de la fuerza nuclear fuerte pero que deja intactos al protón y al antiprotón. Existe una posibilidad de que la misma interacción básica les permita a los físicos del LHC tener una visión más clara del Higgs.»