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Esta vez parece que no, pero cuando pase algo gordo, ¿cómo nos vamos a enterar?

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…

¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (Parte 5)

El ejercicio J/psi de CMS en las masterclasses internacionales de física de partículas, un vistazo rápido.

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 \mathsf{J/\psi}.

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 \mathsf{J/\psi}. 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:

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

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,

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

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 \mathsf{m_{X}}. 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 \mathsf{3,1\: GeV/c^{2}}. Si miramos las tablas, eso se aproxima bastante a la partícula \mathsf{J/\psi}.

____________________________

Notas

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

\mathsf{\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times\overrightarrow{B}}

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):

\mathsf{F=ma=qvB}\;\Longrightarrow\mathsf{\frac{mv^{2}}{R}=qvB\;\Longrightarrow p=qRB}

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 \mathsf{p=qRB}

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: \mathsf{\mathsf{\overrightarrow{v}=\overrightarrow{v}_{\Vert}+\overrightarrow{v}_{\bot}}}

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 (\mathsf{\perp}) y no se ve afectado en la dirección paralela al campo (\mathsf{\Vert}), 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 \mathsf{p}  por su componente transversal \mathsf{p_{\bot}} para obtener la relación válida con generalidad entre el momento y el radio de curvatura de la hélice:

\mathsf{p_{\bot}=qRB}

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(**)  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

\mathsf{\triangle E\cdot\triangle t\sim\hslash}

y eso implica que la energía y por tanto la masa (pues, por ejemplo, para una partícula en reposo \mathsf{E_{0}=mc^{2}}) tampoco están bien definidas, sino que se distribuyen estadísticamente con una anchuras tales que:

\mathsf{\triangle E\sim\frac{\hslash}{\triangle t}}

\mathsf{\triangle m\sim\frac{\hslash}{c^{2}\cdot\triangle t}}

¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (Parte 2)

A la caza de picos (bump hunting)

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…”:

¿El bosón de Higgs visto en ATLAS?
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

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

¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (Parte 1)

El objetivo de  ¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (en 5 partes) es responder a esta pregunta de manera comprensible para un público amplio, pero no superficial. Eso implica un tira y afloja entre ambos polos que -siendo como soy profesor de enseñanza secundaria- he resuelto dirigiendo esto a quien enseñe, haya cursado o esté cursando un bachillerato de ciencias.

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/\psi 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:

presunto higgs en el Daily Mail
"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:

algo raro en el tevatrón
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

¡El LHC funciona! ¡Con colisiones!

Y ya han registrado las primeras colisiones (son candidatos aún y a baja energía y… pero no importa).

Ver por ejemplo:

http://cmsdoc.cern.ch/cms/performance/FirstBeam/pictures221109/CollisionEvent.png

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/public/EVTDISPLAY/events.html

o la nota de prensa (todo en inglés), pero también la portada de “El País” (del 24 de noviembre de 2009)…

Y para seguir el estado del acelerador y el detector CMS tenemos

cmstv y CMS e-commentary o el CERN en twitter y CMS en twitter.