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Higgs e política científica

domingo, 12 dez 2010; \49\UTC\UTC\k 49 Deixe um comentário Go to comments

Meses após o último post, vamos falar um pouco sobre política científica.

Eu já falei aqui no blog sobre a possível extensão da vida dos experimentos do Tevatron por mais três anos. Nos últimos dois meses, novas informações foram divulgadas e tanto os experimentos do Tevatron (D0 e CDF) quanto do LHC (CMS e Atlas) fizeram propostas de como lidar com essa (nem sempre tão) saudável competição.

Física

A principal motivação para extensão da vida dos experimentos do Tevatron é a procura do Higgs, ou pelo menos, exclusão da maior parte do domínio de massa em que é possível encontrá-lo. Acho que é evidente para todos que o Tevatron nunca vai ter eventos suficientes para fazer uma descoberta, ie, ter um sinal que é maior que uma variação de 5\sigma do background, mas há uma intensa pesquisa em termos de exclusão. Eu já falei sobre isso aqui antes, mas não custa revisar: 5\sigma, numa interpretação probabilística clássica, significa que se tivéssemos um número muito grande de experimentos, supondo que o Higgs não exista, menos de 6 a cada dez milhões de medidas daria um sinal tão grande quanto o observado. A idéia de exclusão é diferente. A idéia é saber se a seção de choque de produção de estados finais que recebem contribuição do campo de Higgs é menor que a do modelo padrão em 95\% CL. Isso quer dizer que se tivéssemos um número muito grande de experimentos e supondo que o Higgs exista, menos de 5 em cada 100 teriam esses estados finais produzidos tão copiosamente quanto previsto pelo modelo padrão. Infelizmente temos apenas alguns poucos experimentos (4, para dizer a verdade) e para você dizer a probabilidade de um resultado estar certo, você precisaria usar estatística Bayesiana, o que é feito nessa medida, mas não é o mais divulgado[1] e a conclusão estatística também não muda muito. Além disso, por motivos teóricos – nossa incapacidade de resolver TQC realísticas – e experimentais – imprecisão na própria detecção dos eventos que não envolvem o Higgs – bem conhecidos, o background não é perfeitamente conhecido. Isso quer dizer que, diferente de quase todos os livros de estatística que você vai encontrar no mercado, a hipótese nula não é exatamente conhecida, apenas pode-se determinar uma distribuição de probabilidade para ela. Existem maneiras de lidar com isso na estatística clássica e na Bayesiana, e os dados apresentados nesse post são feitos com uma técnica semi-clássica chamada CLs, mas não vou tentar explicar a motivação detalhada disso aqui [2].

Os experimentos do LHC e do Tevatron são parecidos mas são diferentes. Por um lado, os experimentos do LHC são mais novos, o equipamento está melhor pois não sofreu anos de dano por radiação, a segmentação dos detectores é bem mais fina, e tem muito mais material ativo, principalmente na parte de tracking. Por outro lado, o Tevatron tem mais eventos de Higgs acumulados (supondo, claro, que esses existem, mas não acho que qualquer pessoa em sã consciência tenha dúvida disso) e o houve muito mais tempo de se estudar detalhes do experimento para reduzir incertezas sistemáticas, melhorar técnicas de identificação de partículas presentes nos estados finais interessantes e eficiência de identificação de eventos de Higgs usando técnicas de análise multivariada. Essas melhoras nas técnicas de análise dos dados nos experimentos do Tevatron são bem recentes e motivadas pela competição com os experimentos do LHC. Essa é a parte saudável da competição e teremos outros exemplos a seguir. Mas vamos falar sobre números. Abaixo, há gráficos públicos, tanto do D0 quanto do Atlas da massa do Higgs que pode ser excluída em função da quantidade de dados acumuladas:

 

 

No segundo gráfico é claro o efeito do recente esforço. Os gráficos são diferentes, mas é fácil entender: o eixo vertical do gráfico relativo ao D0 é o equivalente às diversas linhas coloridas no gráfico do Atlas e o valor do gráfico no gráfico do D0 é o valor que essa cada curva no gráfico do Atlas intercepta a coordenada 1 (ok, isso não é completamente verdade, já que o primeiro gráfico é um gráfico de exclusão e o segundo de evidência em 3 \sigma, mas dá para ter uma idéia de ordem de grandeza).

Até esse ponto do texto, tudo que falei está quase tudo pronto, vamos a partir de agora fazer algumas previsões menos conservadoras, algumas até bem incertas. Todas as medidas eletrofracas de precisão que fizemos até hoje indicam que o Higgs tem uma massa bem reduzida, algo em torno de 115-120 GeV. Seria muito interessante se não conseguíssemos excluir essa região. Para excluir essa região, o Atlas teria que acumular quase 5\, fb^{-1} de dados enquanto, com as melhoras do Tevatron, isso seria conseguido com 13\, fb^{-1} (a diferença é causada principalmente pela diferença entre a seção de choque dos eventos de Higgs entre 2 e 7\, TeV). Outro aspecto saudável dessa competição é que as divisões de ambos aceleradores estão tentando ao máximo elevar a energia e a luminosidade disponíveis no feixe. A previsão oficial é, no fim do próximo ano fiscal, o Tevatron ter 10\, fb^{-1} e o LHC 1\, fb^{-1}, mas é provável que ambos consigam mais que isso. A não ser que problemas sérios aconteçam, o Tevatron deve passar 11\, fb^{-1} enquando o LHC deve passar 2\, fb^{-1}. Eu ouvi algumas pessoas dizendo que o LHC poderia chegar a 7\, fb^{-1} ainda ano que vem, mas apesar dessa ser uma expectativa extremamente empolgante, talvez seja otimista demais.

Política

A não ser que o LHC realmente entregue mais de 5\, fb^{-1} ano que vem, quando então estender a vida do Tevatron por mais 3 anos seria completamente sem sentido, e se o Higgs estiver realmente nessa faixa de baixa massa, então o Tevatron tem chances mais ou menos iguais ao LHC de obter algum resultado significativo, até mesmo uma evidência em 3 \sigma até 2014. Contudo, essa situação é claramente desconfortável para ambos os experimentos, pois competição também tem seu lado ruim. Em fevereiro, será decidido se o LHC vai mesmo parar em 2012, conforme planejado. Há uma certa pressão para que o acelerador continue funcionando com 7\, TeV por mais um ano e adie a esperada manutenção do acelerador, bem como finalização e manutenção dos detectores para 2013. Isso garante a observação do Higgs para os próximos anos no LHC mas ao mesmo tempo adia a procura de nova física além do modelo padrão, que é tão ou mais interessante. No caso do Tevatron há uma desconfortável incerteza se os 35 milhões de dólares por ano necessários para estender a vida dos experimentos de colisão vai estar disponível. O pior que pode acontecer, e de uma certa forma muito provável que aconteça, é que o Obama coloque essa verba no seu pedido para o congresso em meados de fevereiro, o diretor do Fermilab se comprometa a repassar essa verba e, no final do ano fiscal, em outubro, o congresso não aprove a verba. Isso implicaria em redirecionar dinheiro de outros experimentos, principalmente os de feixe de neutrinos, para o D0 e CDF (aqui leia-se: basicamente a procura do Higgs nesses experimentos).

Além dessas importantes decisões que serão tomadas no início do próximo ano, os experimentos do Tevatron estão enfrentado outro problema serio: falta de mão-de-obra. É compreensível que as agências de fomento dêem preferência para financiar seus pesquisadores nos experimentos do LHC, mas também não devemos esquecer que existe uma grande quantidade de bons dados não analisados no Tevatron. Afinal, o Higgs não é a única coisa em Física de Altas Energias. De fato é o assunto mais quente, mas há muito mais coisas a se medir e, acredite, algumas delas podem ser muito bem medidas no Tevatron sem ter que se preocupar com a luminosidade muito grande que o LHC terá em breve. É compreensível que o Tevatron, a partir do ano que vem, não tenha ninguém analisando dados a procura de física além do modelo padrão, pois não há dúvida que o LHC é muito melhor para isso (me disseram que depois que perceberam que não haveria ninguém, algumas pessoas se voluntariaram para fazer esse tipo de estudo no Tevatron), mas é meio triste ver que faltam pessoas para analisar violação de CP, estrutura do próton, física eletrofraca e outros assuntos interessantes.

Para finalizar essa triste história com chave de ouro, os dois grandes experimentos do LHC, Atlas e CMS, através dos seus spokesmen, anunciaram às colaborações do D0 e CDF que não permitirão aos membros de suas colaborações que participem concomitantemente em um dos experimentos do Tevatron[3]. Muitas desculpas foram dadas para essa decisão: de confidencialidade de informação dentro dos experimentos a impossibilidade de realisticamente cumprir as obrigações para com as duas colaborações. Eu leio isso de uma forma diferente: me parece uma intromissão inadequada na decisão individual do pesquisador de como usar o seu tempo de pesquisa. Até porque, ambas responsabilidades técnicas e éticas são de carácter individual e não deveriam nunca representar uma política geral dessa forma como proposta. Além do que, se há algum experimento com o qual os pesquisadores não estão dedicando o tempo requerido, estes são os experimentos do Tevatron.

Tanto o D0 quanto o CDF pediram que o CMS e o Atlas reconsiderassem essa decisão, mas se isso for mantido, e considerando a dificuldade de se obter verba (principalmente com os novos legisladores recentemente eleitos) será difícil conceber que boa física seja feita no Tevatron depois de 2011. Isso é uma forma muito triste de se jogar dados fora.

Referências


[1]Combination of Tevatron Searches for the Standard Model Higgs Boson in the W+W- Decay Mode
[2]Modified Frequentist Analysis of Search Results (the CLs method)
[3] Embora essa é uma decisão oficial, e por isso, na minha forma de entender, pública, apenas tenho registro dela em documentos internos às colaborações. Logo, peço desculpa, mas não tenho nenhum link para provar o que estou dizendo.

Categorias:Ars Physica
  1. domingo, 12 dez 2010; \49\UTC\UTC\k 49 às 16:42:30 EST

    Triste mesmo.

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