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.

L'LHC s'apaga (de moment)

Després de 180 dies en funcionament, el 30 d'octubre de 2011 a les 17:15h l'accelerador de partícules més gran del món, l'LHC (Large Hadron Collider - Gran Colisionador d'Hadorns), s'apagava. Durant aquest temps s'han arribat a produir 400 trillons de col·lisions protó - protó que han servit per intentar desxifrar els misteris de l'univers. El funcionament de l'LHC ha estat excel·lent, ha superat amb escreix els objectius operacionals que s'havien proposat i els seus experiments (ATLAS, CMS, LHCb i ALICE) han realitzat mesures excepcionals.

Durant aquest dies s'han fet diversos anàlisis per entendre el funcionament de l'univers. S'ha retrobat el model estàndard, i s'han obtingut algunes de les mesures més precises que s'han pres mai. S'han buscat particules supersimètriques, tot i que de moment no se n'ha trobat cap. S'han exclòs els squarks fins a energies molt altes (1TeV) refutant la majoria de teories supersimètriques (conegudes com a SUSY). I en particular, s'ha posat molt d'ènfasi en la cerca del bosó de Higgs, se n'ha descartat l'existència per molts valors de la seva massa i cada vegada sembla més difícil que existeixi.

LHC, però, no s'apaga definitivament: en breu es tornarà a engegar i durant un mes es faran col·lisionar ions de plom. Aquests, en contenir molts protons i neutrons en el seu interior permetran estudiar (mitjançant el detector ALICE principalment) densitats comparables a les del Big Bang, un règim conegut com a 'Quark-Gluon Plasma'. A l'hivern, l'accelerador es tornarà a apagar ja que la despesa econòmica per mantenir la instal·lació és massa gran (el CERN consumeix la mateixa quantitat d'electricitat que la ciutat de Ginebra). El 2012 es tornaran a injectar protons i es prendran dades durant un any, després s'apagarà la màquina per 1-2 anys i se'n farà un 'upgrade' (millora).

A sota es pot veure un 'plot' generat per ATLAS (per CMS hi ha un 'plot' similar). A l'eix X es veu la massa del Higgs, i tots aquells punts de la línia negra contínua per sota de 1 són els valors del bosó de Higgs que queden exclosos amb un nivell de confiança del 95% (146<mH<232 GeV, 256<mH<282 GeV and 296<mH<466 GeV). La línia discontinua (amb els contorns verd i groc) és el que esperariem si el Higgs no existís.

Així doncs, la nova física no estava tant a prop com s'intuïa i sembla que tant el model estàndard (que prediu l'existència del Higgs), com totes les possibles alternatives s'estan quedant en no res. Durant el proper any, o es trobaran noves partícules o se n'exclourà la seva existència donant pas a una època molt interessant en el món de la física de partícules.

Neutrins, més ràpids que la velocitat de la llum?

Científics de la col·laboració OPERA han descobert en un estudi recent (http://arxiv.org/abs/1109.4897) que els neutrins (tipus de partícula elemental) viatgen més ràpid que la velocitat de la llum, concretament, 60ns -nanosegons- (0.00000006 segons) més ràpid. Sembla poquíssim, però molts dels aparells tecnològics d'avui en dia tenen una precisió molt més gran (o sigui, que poden mesurar de sobres aquesta quantitat -60ns-). De confirmar-se el resultat per altres experiments, o si més no, passar el vist i plau de la comunitat científica, seria un resultat espectacular, modificaria completament la nostra comprensió de l'univers, refutant per exemple la teoria de la relativitat d'Einstein, violant relacions de causa efecte (causalitat) o fins i tot, permetent que partícules viatgessin cap al passat!

Avui a les 16h hi ha hagut al CERN un seminari, on un respresentant de la col·laboració OPERA ha exposat els seus resultats, i ha acabat amb un munt d'aplaudiments i amb molts científics força convençuts de la veracitat de l'estudi. Ara bé, la feina no s'ha acabat, els científics d'OPERA seguiran millorant l'anàlisi, i a més, esperen un intens escrutini per part de la comunitat científica per verificar o descartar aquest resultat.

Els neutrins són partícules que interactuen molt poc amb la matèria, cada dia, milions de neutrins travessen la terra sense tocar-la! Aquest fet en fa molt difícil l'estudi, ja que es necessiten molts neutrins per detectar-ne almenys un. Ja fa uns anys es va descobrir que tenien massa observant oscil·lacions entre les diferents espècies de neutrins. Aquesta massa és minúscula, però no zero com prediu el model estàndard. I ara, tot sembla indicar que aquesta petita partícula ens torna a desmuntar una altra gran teoria, la relativitat.

Com se sap que el neutrí viatja més ràpid que la llum? Doncs molt fàcil v=d/t (velocitat=distància/temps). Si suposem que totes les partícules es mouen a la velocitat de la llum (v=c) podem saber quin és el temps (t) necessari per recórrer una distància (d) determinada. Si el temps que mesurem és més petit que el previst (suposant v=c) llavors vol dir que les partícules viatgen més ràpid (v>c).

Per fer-ho han utilitzat més de 16.000 neutrins que s'han llançat des del CERN (a Ginebra) cap al Gran Sasso (a Italià, prop de L'Àquila) entre el 2009 - 2011. La distància entre els dos punts l'han mesurat gràcies a un estudi geològic (realitzat en bona part, gràcies a GPS) que dona com a resultat una distància de 731.278m amb 20 cm d'error (a determinats llocs l'error era tant petit que van poder mesurar la deriva continental i vibracions del terreny de 7cm degut al terratrèmol de l'Àquila). Després, han mesurat el temps des què el neutrí surt del CERN fins que arriba a Gran Sasso, i per fer-ho s'han basat en dos sistemes independents: GPS i rellotges atòmics. La mesura del temps no és trivial, ha calgut calibrar i sincronitzar tots els rellotges, o sigui, assegurar-se que tots els rellotges anaven igual, si ja és difícil que el rellotge de la cuina funcioni igual que el del menjador imagineu-vos dos rellotges a més de 700km i que han d'anar iguals en 1ns (0.000000001s)!

Així doncs, finalment, han trobat que els neutrins arribaven 60ns abans del que hauria arribat la llum! Això implica que la velocitat del neutrí és superior a la de la llum en 20 parts per milió. A sota hi ha un esquema del procediment

Coses més tècniques

Els neutrins es generen a través de la desintegració de protons provinents d'un dels accelerador de partícules del CERN (l'SPS). Aquests decauen ('es transformen') en kaons o pions (un altre tipus de partícula formada per un quark i un antiquark) que decauen a la vegada a un muó (partícula elemental) i a un neutrí (muònic). Aquest últim, a causa de la seva baixa massa, surt pràcticament en la mateix direcció de la partícula de què decau. Per això diem que tenim un feix de neutrins que s'anomena CNGS (CERN Neutrino Gran Sasso) perquè es produeixen al CERN i van cap a Gran Sasso. A sota hi ha un esquema de la instal·lació CNGS.

Els neutrins no es detecten, però sí el muó que l'acompanya. Així, cada cop que es detecta un muó es pot dir que hi ha un neutrí que s'ha generat al CNGS (veure figura de sobre). I per saber quan ha arribat un neutrí a Gran Sasso, es detecten les partícules a què decau el neutrí (taus i muons majoritàriament). Això és el que es fa al LNGS (Laboratori nacional del Gran Sasso) amb el detector OPERA.

Un altre aspecte que podria ser preocupant és el punt de partida del neutrí (el punt exacte on es genera), que no es coneix. Així que s'agafa com a origen el punt en què els protons són injectats al CNGS. Això crea una incertesa que es tradueix en un error en la mesura a causa d'aquests 100-1000m de diferència entre l'origen del neutrí i l'origen que nosaltres agafem. Aquest error és de 0.2ns, que és negligible enfront dels 60ns.

Un punt important per assegurar-nos que els rellotges estan sincronitzats és la distribució d'origen i final dels neutrins: com a origen s'agafa la distribució de protons (línia vermella) i com a final la distribució d'esdeveniments detectats a OPERA (punts) ja que els neutrins no es detecten. A sota es pot veure les dos distribucions abans (a dalt) i després (a baix) d'estar calibrades.

La diferència de temps que surt al gràfic de sobre, els 1048.5ns, és el temps que tardaria la llum a recórrer la distància entre el CERN i Gran Sasso (TOF -time of flight-), si li restem el que tarden els neutrins (tenint en compte totes les correccions derivades de la mesura temporal o de la mesura de la distància) apareix:

δt = TOFc –TOFν = 1048.5 ns – 987.8 ns = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns

S'obté finalment (amb una significancia de 6.0 σ):

(v-c)/c = δt /(TOF’c - δt) = (2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.)) ×10-5

CP Violation

Quan em pregunten de què treballo no tinc una resposta fàcil. Puc dir que sóc físic, físic de partícules concretament; però sempre m'acaben dient: 'I això, què és? Què fas exactament?'. I alguna cosa els intento explicar. Ahir, afortunadament, vaig acabar el capítol de teoria de la meva tesi, i ara em sento amb ganes d'explicar de forma breu i clara alguna cosa sobre la física de partícules.

Un tema fonamental en la física de partícules és la 'Violació de CP', o el que és el mateix: diferències entre matèria i antimatèria. Per què és important? us preguntareu... A l'inici, l'univers era tot energia i ara està fet de matèria i no d'antimatèria. Si tenim en compte que l'energia es pot convertir en una parella partícula-antipartícula, alguna cosa devia passar perquè es produís més matèria que antimatèria (per això nosaltres existim!). Això és el que la violació de CP intenta explicar. D'on ve aquest nom? CP es refereix a Càrrega i Paritat: La Paritat (P) fa referència a la 'imatge a través d'un mirall' d'una partícula -algunes propietats (com l'helicitat) són diferents quan te les mires per un mirall-, la Càrrega (C) elèctrica també diferencia una partícula de la seva antipartícula. Així, si sobre una partícula fas una transformació de CP (canvies la càrrega i te la mires per un mirall) obtens l'antipartícula i viceversa. Quan hi ha una violació de CP és quan hi ha asimetries entre la matèria i l'antimatèria sota transformacions de CP (per exemple: més antipartícules es convertiran en partícules que partícules en antipartícules).

Hi ha tres tipus de 'Violació de CP', o tres formes diferents d'observar diferències entre matèria i antimatèria. Avui n'explicaré una: la 'Directa' o 'Violació de CP en el decaïment'. Aquesta ens diu que el decaïment (o 'desintegració') d'una partícula a dues (o més) partícules és diferent del decaïment de la seva antipartícula. Un exemple el podem trobar en els resultats obtinguts fa poc pel detector LHCb, entre el decaïment del B0 que passa a ser K+ pi- i de la seva antipartícula, l'anti-B0, que es converteix en K- pi+. Al gràfic de sota es pot veure el nombre de B0 (esquerra) i anti-B0 (dreta) reconstruides a partir de les seves filles (kaons i pions) sota les mateixes condicions. Es veu clarament (mirant l'altura dels pics) que el nombre d'anti-B0 és inferior al de B0. Aquesta asimetria entre la quantitat de matèria (B0) i d'antimatèria (anti-B0) és una violació de CP.

Concretament, a l'histograma es pot veure el nombre de decaïments (eix Y) del B0 a K+ pi- (o de l'anti-B0 a K- pi+ a la dreta) amb un certa massa (eix X). El màxim del pic correspon a la massa del B0, o de l'anti-B0, que és la mateixa. Pel que fa als colors, el vermell representa la 'senyal', o sigui els autèntics decaïments de B0 a K pi; el blau correspon a l'ajust total, on es té en compte totes les contribucions incloent-hi el 'soroll' (o 'background') que són altres esdeveniments similars que han passat la nostra selecció però que en cap cas corresponen a successos del tipus B0 a K pi i que estan representats pels altres colors. Així doncs, l'asimetria es veu quan comparem els dos pics vermells, ja que el B0(esquerra) decau més cops que l'anti-B0(dreta).