¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (Parte 4)

El ejercicio J/\psi 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/\psi

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

\mathfrak{\mathscr{\mathsf{p+p\rightarrow J/\psi+otras\; cosas}}}

\mathfrak{\mathscr{\mathsf{J/\psi\rightarrow\mu^{+}+\mu^{-}}}}

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 estaban en esta hoja de cálculo).

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

\mathfrak{\mathscr{\mathsf{X\rightarrow\mu^{+}+\mu^{-}}}}

y las leyes de conservación de la energía – momento de la relatividad especial nos darán la “masa invariante \mu^{+}\mu^{-}” 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:

CMS-40pb-dimuon-spectrum
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/\psi.

CONTINUARÁ… (Apéndice 4.1)

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