dissabte, 17 de desembre del 2011

Higgs! or no Higgs.

El dimarts 13 de desembre, en un seminari públic del CERN, es van fer públics els resultats preliminars d'ATLAS i CMS sobre la recerca del bosó de Higgs obtinguts mitjançant gairebé totes les col·lisions protó-protó de l'LHC durant el 2011. Són dades suficients per fer avenços significatius en la recerca del Higgs, però no pas per arribar a una conclusió definitiva sobre la seva existència. Després de les xerrades, la principal conclusió que se'n treu és que si el bosó de Higgs existeix, tal com prediu el model estàndard (SM), tindria molt probablement una massa entre 116-127 GeV. Això millora notablement els resultats obtinguts a l'estiu de 2011.

Els dos experiments van estudiar moltes de les possibles desintegracions (o decaïments) del Higgs, entre les quals destaquen el Higgs a dos fotons (H a γγ), el Higgs a dos W (H a WW, desintegrant-se cada W a leptó neutrí) i el Higgs a dues Z (H a ZZ, desintegrant-se a 2 leptons cada Z). A sota es pot veure un possible esdeveniment d'un Higgs desintegrant-se a Z's (i aquesta a 4 muons):

 


Però com és busca el Higgs? Aquí tenim un exemple: per estudiar el Higgs desintegrant-se en dos fotons, s'intenta reconstruir aquests dos fotons de la informació obtinguda pels detectors. T'has d'assegurar que aquests dos fotons provinguin del mateix punt (que seria el Higgs), i en calcules la massa resultant. Ara bé, com que hi ha moltes partícules que poden decaure a dos fotons, primer has de fer una selecció intentant excloure'n tots els esdeveniments que continguin dos fotons que no provinguin del Higgs (és el que anomenem soroll o background). Per fer-ho, has d'estudiar les propietats del fotó (energia, moment, distribució angular, ...), que són diferents en funció de la partícula de què decauen.

Aquesta reconstrucció es fa per a totes les desintegracions possibles del Higgs. Les tres desintegracions que he mencionat a dalt són molt útils per trobar el Higgs, si la massa d'aquest és molt baixa (100-150 GeV), perquè el background o soroll en aquesta regió és molt baix.

A sota es poden veure els esdeveniments que passen la selecció del Higgs, al detector ATLAS (per CMS hi ha plots similars), pels tres decaïments del Higgs mencionats. S'espera que molts dels esdeveniments seleccionats siguin 'background' (no s'aconsegueix refusar-los tots mitjançant la selecció), i per altra banda es calculen els esdeveniments que es trobarien si hi hagués un Higgs segons el model estàndard (en vermell, per una massa de 130GeV). La gràcia és veure si hi ha més esdeveniments que els esperats que no siguin background. Aquí es pot veure que, efectivament, hi ha un excés d'esdeveniments que no són background en una certa regió (quadrat blau), que és la mateixa per les 3 desintegracions.


Si el Higgs no existís, tots els esdeveniments que trobaríem serien compatibles amb una hipòtesi de tenir només soroll, per això s'estudia la diferència entre els esdeveniments trobats i la hipòtesi de tenir només soroll per cada valor de massa. I es produeixen plots com el produit per CMS:


En aquest 'plot' es mostra la combinació de tots els decaïments estudiats i es pot veure la probabilitat d'excloure el Higgs (SM). S'agafa un nivell de confiança del 95%, així, tots els punts (valors de massa del Higgs) per sota la línia del 95% queden exclosos. La línia discontinua amb les franges verdes i groges, és el que esperariem si no exisits (1 i 2 sigmes), mentre que la línia contínua, feta pels punts negres, és el que s'observa de l'experiment. Així es pot concloure que el Higgs queda exclòs entre 127 i 600 GeV segons CMS. Un plot similar s'obté per ATLAS. Si mirem amb zoom la regió de baixa massa, ara per ATLAS :


Aquí ATLAS exclou el Higgs amb una massa per sota de 115.5GeV i més gran de 131GeV (també se sobreposen els límits trobats anteriorment per altres experiments). Ara bé, l'important és veure com a la regió d'entre 120-130GeV estem molt per sobre del que esperaríem, tant per ATLAS com per CMS, això es degut a un excés d'esdeveniments en aquesta regió, per això es mira com de significant és la senyal respecte al soroll, o sigui, s'intenta veure si el pic trobat és realment un pic o una fluctuació estadística. Un cop fet aquest anàlisi es produeixen plots de l'estil següent:


Aquí CMS mostra com de significant és la senyal (cada color representa una desintegració del Higgs, i la línia negre és la combinació) respecte de només tenir soroll (linia de zero) per totes les masses del Higgs. Es veu que entre 117-126GeV (quadrat blau) la senyal té una significancia de més de 2 sigmes (línia vermella discontínua horitzontal), o sigui una probabilitat de que sigui senyal de debò (i no una fluctuació) de més del 98.5%. De forma similar també es pot obtenir el valor més probable de la massa del Higgs, ATLAS obté 126GeV i CMS 124GeV.

Així doncs, després dels resultats es pot concloure que el Higgs queda exclòs per unes masses per sota de 115.5GeV i per sobre de 127GeV amb un nivell de confiança del 95%. I si el Higgs (SM) existeix (la probabilitat d'existir és >98.5%) el valor més probable és de 124GeV (2.6sigmes) segons CMS i de 126GeV (2.3sigmes) segons ATLAS.