Donde nos se refiere a los que no estamos metidos en el ajo aunque seamos más o menos aficionados (o profesionales, pero de otra cosa; como la enseñanza secundaria, en mi caso)

Según dice Peter Woit, parece que esta vez tampoco ha habido un gran descubrimiento en física de partículas. El “pico”  aparecido en los datos del detector CDF del acelerador Tevatron en Fermilab (que llegó al New York Times  y del que hablé aquí y aquí) no sería confirmado mañana (10 de junio e 2011)  en un seminario en el que se van a presentar datos relevantes por parte de DØ, el otro detector del Tevatron (si lees los comentarios a la entrada del blog de Woit verás que es más complicado que eso, pero bueno…).

ACTUALIZACIÓN (10 DE JUNIO, 2011): Ya es oficial: DØ no ve nada que no sea consistente con el modelo estándar y así es como lo cuenta Ian Sample en The Guardian (este peridista científico es autor de Massive, un muy buen libro de divulgación sobre física de partículas). Más detalles en los sitios de siempre (Dorigo, Jester) y en esto, del mismo Fermilab. En español está Francis.

Ahora se tienen que sentar los de CDF y DØ a encontrar el origen de esa discrepancia, probablemente relacionada con lo complejo que es analizar estos datos experimentales y sacar resultados, tal como cuenta aquí Pauline Gagnon, del experimento ATLAS.

Y ahora, una pregunta interesante para los aficionados, pero también para profesores, cuya obligación (e inclinación, en mi caso) no se limita a enseñar una serie de contenidos establecidos. También incluye el hacer ver a los alumnos que se sigue haciendo ciencia ahora mismo y hablar sobre cómo se hace (desde la elección de temas a investigar, la financiación, el personal…) y cómo se discute, comunica y valida. Todo ello, lo sé bien, muy complicado y muy  lejos de las tristes menciones al método científico de manual:

Cuando pase algo gordo, ¿cómo nos vamos a enterar?

Pues parece que a través de los blogs de físicos de partículas profesionales  y aficionados más o menos próximos (a menudo gente con formación científica que se ha dedicado a otras cosas…) en los que a menudo se recogen rumores del mundillo. Algunos de esos blogs (que no voy a clasificar pues no siempre sabría) son A Quantum Diaries Survivor (de Tommaso Dorigo), Not Even Wrong (Peter Woit), Résonaances (Jester), viXra log (Philip Gibbs)… Para leer algo de eso en español conviene estar atentos a Francis (th)E mule Science’s News y a Ciencia Kanija.

Respecto al CERN, dice James Gillies, su jefe de prensa que ellos no van a filtrar noticiones (aunque lo puedan hacer miembros particulares de los experimentos). Por curiosidad, hablemos un poquito de lo que pasó allí la última vez que hicieron un descubrimiento gordo, gordo, el de las partículas W y Z, mediadoras de la interacción débil.

Por ejemplo, aquí nos cuentan la (versión oficial de la) historia, que terminó en la bonita rueda de prensa de la foto de más abajo (qué gran ocasión para leer Nobel Dreams; se non è vero, è ben trovato)

Conferencia de prensa para anunciar el descubrimiento de la partícula W el 25 de enero de 1983. Fuente: CERN

Aunque con toda seguridad en aquellos tiempos los humanos eran parecidos (y por tanto había rumores, cotilleos, papeles olvidados causalmente en lugares estratégicos…) lo que no había era una internet como la de hoy con sus blogs y sus blogueros, su twitter y sus twitteros.

Una cosa que merece estudiar es si entonces había, y en qué medida hay ahora, lo que en inglés se llama hype y que se podría traducir como circo mediático (a escala, claro). Afortunadamente, hasta llegar a los extremos de la vida de arsénico aún falta mucho…

ACTUALIZACIÓN: Pero luego (el 10 de junio) van los del otro experimento del Tevatron, DØ, y dicen que ellos no ven nada… Más detalles aquí, aquí y aquí y la gráfica correspondiente más abajo. Merecerá la pena hablar de los posibles motivos de la discrepancia (todo esto que nos pueden parecer “datos experimentales” lo son, pero no tan “limpios” como nos podemos creer, ya que siempre implican el uso de modelos, para empezar…).

Distribución de masa invariante para parejas de jets producidos en asociación con una partícula W. Fuente: Colaboración CDF, 30 de mayo de 2011

En el apéndice 2.1 de ¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? ya hablaba de esta posible nueva partícula. Con los nuevos datos que hay casi un més después (más sucesos estudiados en CDF) la posibilidad de que se trate de una fluctuación aleatoria ha disminuido bastante (con pocos datos una desviación al azar es más probable que con muchos).

Tras las noticias de hace un mes en CMS y ATLAS (y supongo que en DØ) ha habido gente que ha dejado lo que estaba haciendo para ponerse a toda prisa a analizar sus datos de W + 2 jets. Parece que no han visto nada raro, de momento.

Nos lo cuentan aquí, aquí (traducido aquí al castellano por Kanijo) o aquí, pero todavía no hay que lanzar las campanas al vuelo, que bien podría ser un problema con los modelos que se usan para el fondo (que, restado a los datos “brutos” daría lugar al supuesto pico; ver esta explicación de Francis). Aquí hay más información en castellano, también de Francis y este es otro enlace interesante (en inglés).

A continuación la gráfica correspondiente al análisis de DØ. La línea de puntos un poco por debajo de 150 GeV es la señal de CDF y ahí no hay nada…

Distribución de masa invariante para parejas de jets producidos en asociación con una partícula W. Fuente: Colaboración DØ, 10 de junio de 2011

Cuando se hacen chocar haces de protones de alta energía como en el LHC, uno de los resultados es la producción de gran número de nuevas partículas (recordad E = mc²). Entre ellas está la .

En este ejercicio e trata de comprobar que a partir de los datos reales tomados por el detector CMS del acelerador LHC del CERN podemos encontrar la . Esto sirve para ver que el detector funciona bien y calibrarlo. Los físicos de CMS han analizado estos datos -aunque no en nuestra versión simplificada, claro está- justamente para eso (ver esto y esto otro para empezar).

Partimos del hecho de que los sucesos con dos muones son interesantes; así lo dice la experiencia. Sin ir más lejos, un pico en la producción de pares de muones de signos opuestos fue uno de los caminos por los que Richter y su equipo descubrieron esa misma partícula J/psi .

Este es nuestro plan (los detalles después, poco a poco):

1. Seleccionar sucesos candidatos, es decir que tengan pares de muones que puedan provenir de la desintegración de una partícula neutra como la J/psi:

Para ello, debemos acceder a una herramienta de visualización de sucesos llamada iSpy.Veremos cosas así (los detalles más adelante):

Vista (x-z) de un suceso en el detector CMS. Fuente: http://www18.i2u2.org/elab/cms/event-display/

Y desde otro punto de vista,

Otra vista (y-x) del mismo suceso anterior. Fuente: http://www18.i2u2.org/elab/cms/event-display/

La verdad es que ya nos proporcionan sucesos elegidos por interesantes, pues todos tienen dos muones y están en el rango de masas que vamos a estudiar (el de la partícula J/psi).

Ahora nos toca clasificarlos según su calidad en cuatro categorías según una escala numérica que va desde el 0 para los pares de muones con la misma carga, que no pueden provenir de una partícula neutra como la J/psi hasta el 3 para pares de muones de signos opuestos (sus trayectorias se curvan en sentidos opuestos en el campo magnético del detector, ver nota * al final), que parezcan tener un origen común, aislados (si, por, ejemplo, uno está dentro de un jet o “chorro” de partículas bien puede ser provenga de algún otro proceso y no de la desintegración de un J/psi en dos muones)  y globales (es decir, que se hayan identificado a lo largo de toda la extensión del detector y no sólo en alguna región aislada).

2. Calcular la masa invariante de los dimuones que hayan superado el corte anterior (por ejemplo, excluyendo los de las categorías 0 -por supuesto. y 1).

Es decir, suponiendo que los dos muones son el producto exclusivo de la desintegración de una partícula X,

se obtiene su masa a partir de las leyes de conservación de la energía y el momento de la mecánica relativista (lo explico aquí) y de la medida de los momentos lineales de los muones en los detectores (*)

3. Hacer el histograma que representa la distribución de masas invariantes con los datos del punto 2 y mediante una hoja de cálculo o esta herramienta online. Por motivos que justo ahora no voy a explicar(**), no se obtiene un único valor para la masa de X sino una distribución cuyo centro sí es . Algo así como esto:

Espectro de masas invariantes para dimuones que pasan el corte. Datos: CMS 2010

4. Conclusiones.

Hay que discutir muchas cosas, como el origen de los datos brutos, nuestra elección para el corte (pues la adjudicación por categorías es hasta cierto punto subjetiva) y luego la propia decisión de tirar, junto con los sucesos de la clase 0, lo que es indiscutible, los de la clase 1, por no hablar de lo que hay detrás de estos histogramas (para lo que recomiendo encarecidamente leer esto)…

Sin embargo, podemos concluir provisionalmente que

los datos son compatibles con la existencia de una partícula neutra de masa aproximadamente igual a . Si miramos las tablas, eso se aproxima bastante a la partícula .

____________________________

Notas

(*) Sobre una partícula (clásica) de carga q que se mueve a velocidad v por un campo magnético B, actúa la fuerza (de Lorentz):

En el caso más sencillo, en el que la partícula se mueve de forma perpendicular al campo magnético del detector, el movimiento es circular, lo que nos permite calcular el momento lineal de una partícula de carga conocida en un campo magnético B si medimos, como se pretende en los detectores, la curvatura de la trayectoria (R es el radio de curvatura, que en este caso es simplemente el radio de la trayectoria):

donde hemos puesto p = mv. Y no deberíamos, porque estas partículas creadas en los aceleradores pertenecen todas al régimen relativista (es decir, no podemos hacer la aproximación clásica válida cuando v << c). Sin embargo, tenemos mucha suerte porque en mecánica relativista resulta que también es verdad para este caso que

El caso más general en el que la velocidad es arbitraria resulta sólo ligeramente más complicado. La velocidad tiene una componente paralela al campo y otra perpendicular:

Como el campo magnético afecta sólo a la componente de la velocidad perpendicular al campo (ver esto), el movimiento es circular en la dirección perpendicular () y no se ve afectado en la dirección paralela al campo (), lo que en conjunto da lugar a una trayectoria helicoidal:

Ejemplo de libro de una trayectoria helicoidal (un par electrón - positrón en el detector Aleph de LEP, el predecesor del LHC en el CERN)

Según lo dicho, en este caso general basta sustituir el momento lineal   por su componente transversal  para obtener la relación válida con generalidad entre el momento y el radio de curvatura de la hélice:

_____________________________________________________

(**)  ya que además de las incertidumbres en las medidas tendríamos que empezar a hablar de cómo (casi todas) las partículas son inestables y se desintegran espontáneamente con una distribución de tiempos de vida cuyo promedio es, hablando con poca precisión, la vida media  Δt. Ahora bien, según el principio de indeterminación de Heisenberg

y eso implica que la energía y por tanto la masa (pues, por ejemplo, para una partícula en reposo ) tampoco están bien definidas, sino que se distribuyen estadísticamente con una anchuras tales que:

Un pico en el detector CDF del laboratorio Fermilab, cerca de Chicago

Distribución de masa invariante para parejas de jets producidos en asociación con una partícula W. Fuente: Colaboración CDF. arXiv:1104.0699v2 hep-ex 2 May 2011.

Bueno, hay dos picos, pero el rojo se debe a una partícula ya conocida, la W (de masa 80,4 GeV/c²). Del otro pico, al que han ajustado una curva azul en la figura inferior, no se sabe aún con certeza que exista.

¿¿¿Cómo es eso de que aún no se sabe aún con certeza que exista un pico que se puede ver a simple vista en los datos???

Esto merece una explicación que afortunadamente ya nos ha dado -y muy bien- Francis, del más que recomendable blog Francis (th)E mule Science’s News, esta vez en amazings.es.

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Afortunadamente la energía y el momento lineal (y también la carga eléctrica) se conservan, así que debe cumplir

   [1]

    [2]

(y también , lo que nos dice que si X es una partícula neutra, A y B deben tener cargas opuestas)

Las trayectorias de A y B se curvan en sentidos opuestos en un campo magnético perpendicular a la página

Pero en mecánica relativista, la relación entre energía y momento NO es [nuestra amiga la energía cinética de una partícula libre disfrazada, ] sino más bien

  (*)

Ahora vamos a despejar la masa (invariante) de X, que es lo que andamos buscando:

y si ahora sustituimos [1] y [2] llegamos finalmente a la expresión que nos da en función de las energías y momentos de las partículas detectadas, A y B:

Que quedaría más bonito eligiendo las unidades de modo que c = 1, como hacen los físicos de partículas ( si no,  si medimos la energía en GeV, la masa se mediría en GeV/c^2 y el momento en GeV/c). De todos modos, no hay que preocuparse pues ahora que lo entendemos, los números los hace esta hoja de cálculo.

(*) Para que se nos haga un poco menos raro, podemos desarrollar la expresión en serie de potencias de (v/c), es decir, la velocidad relativa a la de la luz en el vacío, c, y entonces queda para la energía de una partícula libre:

.

Es decir, la energía en reposo , así llamada porque no depende del estado de movimiento, más la energía en reposo no relativista, [o  ] más las correciones relativistas, de orden , que sólo son importantes si .

¿Y cómo se mide el momento de las partículas en un detector?

Para eso están los imanes… tal como se explica en una nota al final de la parte 5.

El ejercicio J/ en las masterclasses de física de partículas

El objetivo de las masterclasses internacionales de física de partículas (o por lo menos mi objetivo al incluirlas aquí) es permitir una aproximación accesible pero que vaya más allá de la simple divulgación a la física que se hace y emplea en los experimentos del LHC (u otros colisionadores similares).

Así que se trata de hacer física relevante de manera simplificada. Simplificada porque, para empezar, no nos dan los datos en bruto, sino bien elegidos y elaborados pero relevante porque no deja de ser algo que los físicos experimentales de partículas “de verdad” hacen en su trabajo…

El ejercicio que hemos elegido (y que probablemente se actualizará; hay que estar atentos) está basado en datos del detector CMS tomados hasta la “temporada 2010″ y podría llamarse

Redescubrimiento de la partícula J/

Por razones de las que ya hemos hablado algo [¿y deberíamos hablar más?], los sucesos con parejas partícula/antipartícula son especialmente interesantes y entre ellos destacan los casos en los que tenemos un muón positivo y otro negativo bien identificados

Esos dos muones podrían provenir, por ejemplo, de la desintegración de una partícula neutra (pero cuidado, porque hay otros procesos que también dan lugar a un muón).

Vamos a identificar visualmente esas parejas (mediante este visualizador de sucesos que se explicará más adelante) y a caracterizar a sus miembros midiendo sus  momentos lineales [¿explico cómo?] y calculando sus energías (los datos están en esta hoja de cálculo).

Ahora, como ya hicimos, supongamos que los muones vienen de la desintegración de una partícula X, así:

y las leyes de conservación de la energía – momento de la relatividad especial nos darán la “masa invariante ” que,  en el caso de existir, sería la masa de esa partícula X. Aquí hacemos el cálculo.

Si representamos el resultado en un histograma, sale esto:

Número de sucesos con pares de muones de cargas opuestas (por unidad de GeV) en función de la masa invariante de la pareja mu+/mu-. Fuente: CMS Public Results

Es decir, un fondo de parejas de muones sobre el que destacan picos bien definidos que se pueden interpretar como debidos a partículas X que se desintegran como hemos supuesto.

Ahora vamos a investigar uno de esos picos, el marcado J/.

CONTINUARÁ…

A diferencia del experimento de Ting, que era de blanco fijo (protones acelerados contra un blanco estacionario), el experimento de Richter se parecía algo más al LHC por ser un colisionador, aunque no de protones, sino de electrones y positrones, justo como el LEP, predecesor del LHC en el CERN.

Un de las características de los colisionadores de haces de electrones y positrones (por ser partículas elementales) es que la energía de una colisión electrón – positrón está bastante bien definida, lo que no sucede con las partículas compuestas como los protones.

Cuando chocan, como ahora en el LHC, haces de protones de 7 TeV de energia en el centro de masas no hay manera de saber cómo se reparten los 3,5 TeV entre todos los componentes del protón (quarks y gluones…  mucho más complicado que la idea ingenua de que un protón está compuesto sin más por tres quarks). Sin embargo, en los colisionadores de electrones todo es más sencillo ya que en este caso no hay reparto.

Así pues, Richter y su equipo podían ajustar cuidadosamente la energía de sus haces de electrones/positrones. Y en esas estaban, aumentando poco a poco la energía de las colisiones y viendo lo que pasaba.

Siendo como es la mecánica cuántica (o más bien el mundo) el resultado de dos colisiones idénticas no es siempre el mismo, así que unas veces se producen parejas como electrón/positrón y muón positivo/muón negativo y muchas otras cosas más complicadas como hadrones (piones, kaones, etc.)…

Lo que se encontraron Richter y sus colegas fue que para una energía cercana a 1,5 GeV por haz (más o menos 3,1 GeV en total) el número de partículas registradas daba un salto.Sospechando que pasaba algo interesante, fueron variando la energía a intervalos más pequeños y registrando las partículas producidas en cada caso.

El siguiente histograma,que está en la entrada del cuaderno de laboratorio de Burton Richter para el 10 de noviembre de 1974, muestra (algo así como) el número de hadrones producidos en función de la energía de un haz:

En 1,55 GeV (la energía total es de unos 3,10 GeV) hay un pico muy pronunciado para la producción de partículas (ver la figura de más abajo) que indica la existencia de una partícula, llamada (psi) por Richter, con una masa cercana a los 3,10 GeV/c². Cuando se desintegra esta partícula da lugar a las partículas detectadas

CONTINUARÁ…

El experimento que Sam Ting y su equipo llevaron a cabo y que dio sus mejores frutos hacia finales de 1974 consistía en acelerar haces de protones y hacerlos chocar contra un blanco de berilio (que también está lleno de protones). Como resultado de una de estas colisiónes protón – protón se producen montones de partículas (¡E = mc²!):

No todos los sucesos son igualmente interesantes y los físicos de partículas saben(*) que entre los mejores están los que contienen pares partícula – antipartícula (que pueden venir de la desintegración de una partícula neutra) como por ejemplo electrón – positrón o muón positivo – muón negativo:

En la colisión se pueden producir nuevas partículas inestables, llamémoslas X, tales que al cabo de un tiempo se desintegran espontáneamente en un electrón  y un positrón:

Lo que hicieron Ting y su equipo fue analizar los sucesos con parejas electrón – positrón y, suponiendo que venían de una partícula X, usar las leyes de conservación de la energía y el momento lineal de la relatividad especial para obtener su masa [como se explicará más adelante].

Si las parejas no proceden de una partícula X, ninguna masa de las obtenidas en el cálculo predominaría especialmente sobre las demás, pero el resultado fue más bien este:

Un histograma que muestra la frecuencia de los pares electrón-positrón según la masa reconstruida y que tiene un pico clarísimo para

lo que quiere decir que  con toda probabilidad sí hay una partícula de esa masa de la que provienen (casi todas, ver la letra pequeña más adelante *) las parejas electrón – positrón detectadas.

¿Y las masterclasses?

Pues justamente esto es lo que se hace en el “Ejercicio J/psi” del experimento CMS en las Masterclasses internacionales de física de partículas salvo que los datos son de colisiones protón – protón en el detector CMS del acelerador LHC y se buscan parejas de muón positivo/muón negativo en lugar de electrón/positrón.

¿Y por qué es importante?

Para empezar, resulta que esta técnica es la que permite afirmar en la mayoría de los casos [¿todos? *] que se ha detectado una nueva partícula desde que empezaron en los años 1950 los experimentos de física de partículas con aceleradores.Cuando se descubra el Higgs -si se descubre- se verá una gráfica similar a la de más arriba, y lo mismo si se encuentran partículas aún más exóticas.

Así pues, si participamos en las masterclasses estaremos acercándonos (de forma muy simplificada e ignorando toda la letra pequeña de la que sólo hablaremos un poco más tarde) a una técnica relevante y que usan los físicos de verdad…

Además,el ejemplo histórico elegido, esa partícula X a la que llamó J Sam Ting no fue el descubrimiento de una vulgar partícula más, ya que desencadenó lo que a veces se llama la Revolución de noviembre en física de partículas [CONTINUARÁ]

La partícula psi de Richter y su equipo

Simultáneamente al trabajo de Ting,  Burton Richter y su equipo utilizaban otra técnica para descubrir la misma partícula, a la que ellos llamaron psi (como no hubo acuerdo sobre el nombre, hoy llamamos a la partícula J/psi).

Nos extenderemos un poquito sobre esa técnica porque ayuda a comprender de qué va todo esto.

(*) indica puntos que con seguridad merecen ser clarificados…

CONTINUARÁ…

En la parte 1 mostré una portada bastante escandalosa del Daily Mail, con científicos histéricos en masa y todo…

¿A qué venía esa supuesta histeria de los físicos? Pues desde mediados de abril venían circulando por los blogs rumores sobre un documento interno de ATLAS que podría indicar el descubrimiento del bosón de Higgs. Asociada al documento está el siguiente gráfico de la “distribución de masa invariante para pares de fotones bla, bla, bla…”:

fig 1:Un "pico" en la gráfica, ¿es el bosón de Higgs? (foto: ATLAS)

En lugar de bajar continuamente como hace la línea azul (ahora mismo no importa lo que sea), los puntos negros que representan a los datos parecen tener un “pico” algo por encima de los 115 GeV. ¿Se había descubierto la particula de Higgs con una masa de algo más de 115 GeV?

Pero no todos los periódicos son iguales. Los lectores de otro diario británico, The Guardian, tienen la suerte de poder leer el blog de Jonathan Butterworth, un físico del experimento ATLAS procedente de UCL  (University College London). Allí habló sobre los rumores el 25 de abril y publicó el 11 de mayo la siguiente gráfica, fruto de bastantes más datos y un análisis más detallado:

fig. 2: Si no hay pico, no hay Higgs... (foto ATLAS)

De manera similar, unas semanas antes, otro pico en un resultado preliminar del detector CDF de Fermilab podría indicar la existencia de una nueva partícula:

Así que de alguna manera, los picos en las distribuciones de masa invariante indican partículas. Complicado, ¿no? Habrá que explicarse…

Empezaremos con otra foto en la que Sam Ting y parte de su equipo muestran orgullosos el pico que acaban de cazar…

Continúa en la parte 3

Cortesía de Brookhaven National Laboratory, publicado bajo una licencia de Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 2.0 Generic (CC BY-NC-ND 2.0)

Mi intención es que, tras esta serie de artículos, los lectores sepan con cierta precisión qué es lo que hacen los físicos de partículas para poder decir que han descubierto una nueva. Y no sólo eso, sino que sean capaces de utilizar datos reales del detector CMS del LHC para “redescubrir” una partícula  a través del ejercicio J/ de las masterclasses internacionales de física de partículas del experimento CMS. Ni que decir tiene que se trata de un ejercicio simplificado al que le falta un montón de letra pequeña, pero aun así nos da una idea mucho más ajustada que la que podríamos obtener leyendo únicamente divulgación.

Allons – y!

Llevamos unos meses oyendo rumores de que se ha descubierto el bosón de Higgs (en el detector ATLAS del acelerador  LHC en el CERN)  o cosas aún más exóticas (en el detector CDF del Tevatron en Fermilab). Esta noticia publicada en el Daily Mail es una muestra -que no pretende ser representativa, sino más bien graciosa- de lo que dicen los medios:

"histeria de masas" entre los científicos por el posible descubrimiento del bosón de Higgs

Esto fue a finales de abril de 2011, pero es que unas semanas antes circularon rumores de un descubrimiento quizás aún más exótico. Ahora una muestra de la noticia en el New York Times:

Los físicos se mantienen expectantes al haberse vislumbrado algo excitante en un laboratorio de física de partículas, según el New York Times.

¿Podríamos aprender nosotros -los que no somos físicos de partículas- cómo se sabe que se ha descubierto una nueva partícula?

Desde luego, no es tan fácil como sugiere este cómic de xkcd pero sí que podemos hacernos una idea bastante ajustada de lo que hacen los físicos de partículas (incluso trabajando nosotros mismos con datos reales del LHC) aunque eso será otro día…

Continúa en la parte 2