Lo último sobre la anomalía a 5 sigmas en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

Dibujo20131103 cdf dijet anomaly - metjj_cdf10fb

En el año 2011 el experimento CDF del Tevatrón (Fermilab) observó una anomalía a 5 sigmas en los sucesos que producían un bosón W y dos chorros hadrónicos. El experimento DZero del Tevatrón refutó dicha señal. Tampoco se observó en el LHC (ATLAS y CMS). Un análisis preliminar en febrero 2013 descubrió que la causa era un error sistemático. El análisis oficial se acaba de publicar en ArXiv. Tras analizar 9,1 /fb de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m. no se observa ninguna anomalía en los canales WW, WZ y ZZ. La figura que abre esta entrada muestra cómo ha desaparecido la anomalía (mostrada en la figura de abajo). El artículo técnico es CDF Collaboration, “Search for a dijet resonance in events with jets and missing transverse energy in pp¯ collisions at √s=1.96 TeV,” arXiv:1310.7267 [hep-ex], 27 Oct 2013. Más información divulgativa en Tommaso Dorigo, “No Jet-Jet Bump In New CDF Diboson Analysis !,” AQDS, 29 Oct 2013.

Dibujo20131103 cdf dijet anomaly 2011

Francis en @TrendingCiencia: La velocidad de los neutrinos y el experimento MINOS

Dibujo20131019 minos far detector - soudan mine - usa

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia ya está disponible, sigue este enlace para escucharlo. El tema es la medida la velocidad de los neutrinos y en concreto de las medidas obtenidas por el experimento MINOS en 2007 y 2012. Muchos recordarán la medida obtenida por OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en septiembre de 2011 que afirmó que los neutrinos muónicos eran superlumínicos. Al final se descubrió la existencia de un error sistemático, cuya corrección permitía salvar todos los datos ya recabados, pero además se logró financiación para realizar nuevos experimentos en Gran Sasso. MINOS (en EEUU) y T2K (Tokai to Kamioka, en Japón) también consiguieron financiación para hacer lo propio. Un resultado overhype (sobrevalorado) permite recabar financiación para investigar en temas muy interesantes.

En mi blog recomiendo leer “No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS),” 25 Abr 2012, “Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS,” 14 Jun 2012, ” y “MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos,” 12 Abr 2013. También recomiendo “La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012,” 8 Jun 2012.

Los interesados en artículos técnicos disfrutarán con P. Adamson, “Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at beamlines other than CNGS,” Nuclear Physics B, Proceedings Supplements 235–236: 296–300, Feb–Mar 2013 [free pdf], y P. Adamson et al., “Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS,” FERMILAB-CONF-12-666-AD, 15 Mar 2012. Además de Floyd W. Stecker, “Constraining Superluminal Electron and Neutrino Velocities using the 2010 Crab Nebula Flare and the IceCube PeV Neutrino Events,” arXiv:1306.6095 [hep-ph], 25 Jun 2013.

Para los interesados en otros artículos citados en el podcast: J. Alspector et al., “Experimental Comparison of Neutrino and Muon Velocities,” Phys. Rev. Lett. 36: 837–840, 1976; MINOS Collaboration, “A Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector,” Phys. Rev. Lett. 105: 151601, 2010arXiv:1007.2791 [hep-ex]; MINOS Collaboration, “Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam,” Phys.Rev. D 76: 072005, 2007arXiv:0706.0437 [hep-ex].

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Ellis y You actualizan su estimación LHC+Tevatron+LEP para los acoplamientos del Higgs

Dibujo20130326 higgs couplings - lhc - tevatron - lep

Cualquiera puede hacerlo, pero si lo hace John Ellis parece que tiene más valor. Combinar los datos del LHC (ATLAS+CMS), Tevatron (CDF+DZero) y LEP sobre la búsqueda del Higgs es muy difícil si se hace con rigor (colisión a colisión), pero muy fácil si se hace usando el teorema central del límite. El resultado será parecido (pues la estadística nunca miente). El análisis de Ellis y You conduce a un acoplo (combinado) para el Higgs de μ = 1,02 ± 0,12 (el valor para el Higgs del modelo estándar es μ = 1). En el plano (a,c), donde a caracteriza el acoplamiento a los bosones vectoriales y c a los fermiones, se obtiene el mejor ajuste para a = 1,03 ± 0,06 y c = 0,84 ± 0,15 (el modelo estándar predice a=1 y c=1); separando el acoplo a los fotone (cγ) del acoplo a otros bosones vectoriales (cg) se obtiene cγ = 1,18  ±  0,12 y cg = 0,88 ± 0,11. Estos ajustes apuntan al Higgs del modelo estándar, descartando muchas de las alternativas; el canal más responsable de este buen ajuste es, sin lugar a dudas, el canal difotónico (γγ) analizado por CMS (LHC). Los interesados en los detalles, canal a canal, pueden consultar John Ellis, Tevong You, “Updated Global Analysis of Higgs Couplings,” arXiv:1303.3879, 15 Mar 2013. Repito, muchos otros han obtenido combinaciones similares (a las que yo llamo “oficiosas” aunque el término no guste a algunos de vosotros; quizás habría que llamarlas “estadísticas” o con más rigor “basadas en el teorema central del límite”), pero siendo Ellis el Erdös de la física de partículas, creo que muchos agradecerán que haya destacado su contribución.

Dibujo20130326 global combination - plane a-c for higgs couplings - lhc - tevatron - lep

El bosón Higgs tras combinar (oficiosamente) LHC+Tevatron+LEP

Dibujo20130320 best fit higgs cv-cf parameter space and invisible one

La combinación oficiosa de los datos sobre el bosón de Higgs de LHC, Tevatrón y LEP nos permite asegurar que para una masa de 126 GeV/c² se ajusta a las predicción del modelo estándar con un valor de μ ∈ [0,98, 1,09] al 95% C.L. Más aún, para sus desintegraciones “invisibles” (en neutrinos, gravitinos, etc.) se puede asegurar que Γ~10-5 Mh (donde Mh es la masa del Higgs). Todo apunta a que se trata del Higgs del modelo estándar. Más información, para los físicos interesados en el análisis, en Adam Falkowski, Francesco Riva, Alfredo Urbano, “Higgs At Last,” arXiv:1303.1812, 18 Mar 2013. Como la estadística nunca miente, estos resultados serán similares a los que se obtengan con la combinación oficial (que aún nadie sabe cuándo se publicará, pero que yo espero que no se retrase mucho más allá del próximo verano).

Por cierto, el artículo técnico de la Colaboración CMS que resume su búsqueda del Higgs ya está en arXiv, en concreto, The CMS Collaboration, “Observation of a new boson with mass near 125 GeV in pp collisions at 7 and 8 TeV,” arXiv:1303.4571, 19 Mar 2013.

El espín del bosón de Higgs

Dibujo20130308 atlas - graviton mass exclusion limits

El bosón descubierto el 4 de julio de 2012 en el LHC es, con toda seguridad, un bosón escalar (su espín es cero). Su observación en el canal difotónico H→γγ impide (teorema de Landau) que tenga espín uno. La posibilidad de que tenga espín dos (se trataría de un gravitón acoplado de forma no renormalizable al resto de la materia) es muy remota. Sin embargo, desde el punto de vista experimental es muy difícil diferenciar entre una partícula de espín cero y una de espín dos, por lo que hay que recurrir a ideas teóricas. John Ellis y varios colegas han mostrado en un artículo reciente que la dependencia con la energía de la producción W/Z + (H→bb) mostrada por las colisiones en el Tevatrón del Fermilab apunta a un bosón escalar (espín 0+); el artículo experimental correspondiente (que combinará datos de CDF y DZero) está próximo a ser publicado según Emily Johnson (Michigan State University), “Spin and Parity in WH → ℓνbb at DØ,” Young Scientists Forum, Rencontres de Moriond EWK, March 8, 2013 [slides]. Ella nos cuenta que las simulaciones por ordenador (usando MADGRAPH5 y PYTHIA) parecen indicar que la combinación CDF+DZero promete tener datos suficientes para poder diferenciar con claridad entre espín 0+ y espín 2+. Su método es el propuesto por John Ellis et al., “A Fast Track towards the `Higgs’ Spin and Parity,” arXiv:1208.6002, 29 Aug 2012. El nuevo artículo de Ellis y sus colegas, que también usa las mismas ideas, también apunta a que la producción del Higgs por fusión de bosones vectoriales apunta también a un bosón escalar, descartando uno de espín dos, según los datos actuales de CMS y ATLAS; supongo que en los próximos meses se publicará un análisis combinado en esta línea mejorando esta certeza. Por tanto, a día de hoy, afirmar que el bosón descubierto en el LHC tiene espín dos no tiene ningún sentido; su espín es casi con toda seguridad cero. El artículo técnico es John Ellis, Veronica Sanz, Tevong You, “Associated Production Evidence against Higgs Impostors and Anomalous Couplings,” arXiv:1303.0208, 1 Mar 2013.

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

Dibujo20130228 Update on dijet mass spectrum in W plus 2jets events

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.

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

Dibujo20130207 Invariant mass distribution for Omega-b-minus

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].

Dibujo20130207 Invariant mass - tevatron - lhc - Omega-b-minus

Dibujo20130207 omega b decay

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

Nota dominical: La historia de la búsqueda del bosón de Higgs

Dibujo20130113 ALEPH Collab - Higgs search - 1989-1990

¿Cuándo empezó la búsqueda del bosón de Higgs? A veces se dice que empezó en 1964, otras que tras la “Revolución de Noviembre” en 1974, pero antes del descubrimiento de los bosones Z y W en 1983 era imposible buscar el Higgs. La búsqueda empezó en 1989 en el colisionador electrón-positrón LEP (Large Electron-Positron collider), el antecesor del LHC en el CERN. El primer artículo con resultados de exclusión para el Higgs está fechado el 1 de diciembre de 1989 y fue publicado por la Colaboración ALEPH (Apparatus for LEP PHysics) en Physics Letters B el 15 de febrero de 1990 [1]. El canal de búsqueda utilizado era la desintegración  Z→Z*H, es decir, la desintegración de bosones Z en hadrones (sobre todo pares bottom-antibottom). En este primer artículo, tras analizar 11.500 bosones Z se excluyó el rango de masas para el Higgs desde 32 MeV/c² hasta 15 GeV/c² al 95% C.L. Un segundo artículo [2], enviado el 31 de enero de 1990, utilizando 25.000 sucesos del mismo tipo, excluyó también el rango entre 11 y 24 GeV/c² al 95% C.L.

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El estado actual de la resonancia Y(4140) en el espectro J/ψφ

Dibujo20121204 production resonance y 4140

Los hadrones exóticos son partículas compuestas de más de tres quarks, como los tetraquarks, estados ligados de dos mesones, o los pentaquarks, estados ligados de un mesón y un barión (“Qué pasó con… los pentaquarks,” 8 oct 2011). Para nombrar los hadrones exóticos se suelen usar las letras X, Y, y Z. El experimento CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU, observó en marzo de 2009 y confirmó en enero de 2011 a 5,0 sigmas una nueva resonancia en las desintegraciones B+ → J/ψ φ K+, llamada Y(4140), con desintegración Y(4140) → J/ψ φ. Se observaron solo 19 ± 6 (stat) ± 3 (syst) eventos de es tipo en 6,0 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m.; la masa de la resonancia es m = 4143,4 ± 3,0 (stat) ± 0,6 (syst) MeV/c², aunque recibe el nombre Y(4140), y su anchura Γ = 15,3 ± 10,4 (stat) ± 2,5 (syst) MeV/c² (CDF Public Note; arXiv:1101.6058). Más aún, CDF también observó una segunda resonancia Y(4274) aunque solo con 3,1 sigmas, con masa m  = 4274,4 ± 8,4 (stat) MeV/c², y Γ = 32,3 ± 21,9 (stat) MeV/c². Por cierto, a veces se escribe X(4140) en lugar de Y(4140), pues su naturaleza exacta no es conocida.

Dibujo20121204 observation y 4140 cdf public note

La resonancia Y(4140) fue buscada sin éxito por Belle (C. P. Shen et al. (The Belle Collaboration), “Evidence for a New Resonance and Search for the Y(4140) in the γγ→ϕJ/ψ Process,” Phys. Rev. Lett. 104: 112004, 2010arXiv:0912.2383). Sin embargo, Belle observó con 3,5 sigmas una “nueva” resonancia Y(4350), con masa m = 4350,6 ± 5,1 (stat) ± 0,7 (syst) MeV/c², y anchura Γ = 13 ± 18 (stat) ± 4 (syst) MeV/c². La ausencia de Y(4140) se observó con 2,7 sigmas.

Dibujo20121203 belle 4140

También buscó sin éxito la resonancia Y(4140) el experimento LHCb del LHC (LHCb Collaboration, “Search for the X(4140) state in B+ to J/psi phi K+ decays,” Phys. Rev. D 85: 091103(R), 2012arXiv:1202.5087). Solo se utilizando 0,37 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. de 2011, obteniendo 2,4 sigmas de certeza en la hipótesis de que la resonancia Y(4140) no existe. Obviamente, habrá que esperar a nuevos análisis con las colisiones de 2012, que se publicarán en el verano/otoño de 2013.

Dibujo20121203 lhcb 4140

Ha sido noticia en noviembre de 2012 que CMS del LHC ha observado a más de 5 sigmas dos resonancias: una compatible con Y(4140), con una masa m = 4148,2 ± 2,0 ± 5,2 MeV/c², y otra con una masa m = 4316,7 ± 3,0 ± 10,0 MeV/c². Se han utilizado 5,2 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. obtenidas en el año 2011 (CMS, “Observation of structures in J/psi phi spectrum in exclusive B+ –> J/psi phi K+ decays at 7 TeV,” BPH-11-026, 16 Nov. 2012).

Dibujo20121203 cms preliminary y 4140 resonance observation

CDF y CMS han observado la resonancia Y(4140) a más de 5 sigmas, sin embargo, Belle y LHCb la han buscado y no la han encontrado. Además, CDF y CMS han observado otra resonancia cercana, pero cada uno a diferente energía. ¿Qué significa todo este puzzle? Por ahora, no se sabe. Habrá que esperar al verano/otoño de 2013, cuando se publique el análisis de CMS de estas resonancias utilizando todos los datos de colisiones de 2012 y los nuevos resultados de LHCb, e incluso de ATLAS. No en balde, el artículo de CMS bautiza a Y(4140) como “estructura” con objeto de no caer en la trampa de afirmar que se trata de un hadrón exótico. Son análisis muy complicados y los hadrones exóticos han ofrecido muchas falsas alarmas en la última década.

¿Qué puede ser la resonancia Y(4140)? Hay varias opciones, pero una bastante razonable es que sea un tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks ccss, es decir, charm, anticharm, strange, y antistrange (Fl Stancu, “Can Y(4140) be a tetraquark?,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 37 : 075017, 2010). Hay otras posibilidades, pero no sé si merece la pena discutir este asunto en más detalle. Por ahora, lo único que podemos decir es que habrá que esperar al verano de 2013 para tener más información sobre la resonancia Y(4140) que aparece y desaparece como los ojos el Guadiana.

PS: Tomasz Skwarnicki (LHCb collaboration), “Exotic Meson Studies at LHCb,” Slides, June 1, 2012.

Todos los nuevos resultados sobre el bosón de Higgs presentados por CMS y ATLAS (LHC, CERN) en el HCP 2012, Kioto

El resultado más espectacular presentado hoy, en mi opinión, lo ha protagonizado CMS, que nos presenta un resultado combinado con 5,1 /fb a 7 TeV de 2011 más 12,2 /fb a 8 TeV de 2012 para el canal “estrella” H → ZZ. El resultado es un Higgs con una masa de 126,2 ± 0,6 (stat.) ± 0,2 (syst.) GeV/c² observado a 4,5 σ (valor que hay que comparar con el de este verano, solo 3,2 σ), con un cociente entre la señal observada y la señal esperada para el modelo estándar de μ = 0,8 ± 0,35, en completo acuerdo con el modelo estándar. Lo más interesante es la figura de abajo que muestra un análisis del espín y la paridad de la partícula observada; con 2,45 σ la señal de CMS corresponde una partícula escalar (espín 0+) y con solo 0,53 σ a una partícula pseudoescalar (espín 0-). Finalmente, se excluye cualquier otro Higgs con masas entre 113 y 116, y entre 129 y 720 GeV/c². Un gran resultado de CMS que nos cuenta  Alexey Drozdetskiy (CMS Collaboration), “A Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to ZZ at CMS,” HCP2012, Kyoto, 14 Nov 2012 [slides].

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