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Uma nova partícula?

quinta-feira, 7 abr 2011; \14\America/New_York\America/New_York\k 14 10 comentários

Hoje eu acordei no meio de uma onda de tweets, emails, notíciais de jornais, mensagens de skype e mais o que você quiser imaginar com meio mundo comentando sobre a massa de dois jatos em estados finais com um lépton, um neutrino e dois jatos em colisões de um próton e um antipróton. Meio surreal, não? Como explicar a mesma coisa um monte de vezes vai dar trabalho, um post aqui no blog parece ser mais adequado.

As pessoas estavam falando sobre esse artigo do CDF, escrito por A. Annovi, P. Catastini, V. Cavaliere e L. Ristori:

Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at √s = 1.96 TeV

baseado na tese de doutoramento da Viviana Cavaliere, que pode ser vista abaixo apresentando seu resultado na palestra de ontem (Eu estava dormindo, terminei não indo. Mas a palestra é meio devagar, fiquem avisados!):

O que eles fizeram foi estudar estados finais com um lépton (elétron ou múon, usado para o trigger), um neutrino (detectado como MET) e dois jatos. Quando eles olharam a distribuição de massa dos jatos, eles viram isso aqui:

Todas as áreas sólidas ou hachuradas são os eventos calculados com processos do modelo padrão. Alguns deles são eventos que realmente produzem esse estado final, como WW (um W decaindo leptonicamente, o outro hadronicamente), WZ (idem) e W+qq (onde os qq são produzidos juntos com o W). Outros são produtos de problemas experimentais, como Z+qq (com o Z decaindo leptonicamente e um dos léptons não sendo detectados), ou eventos com três jatos qqq (onde um q é detectado como lépton e a onde a energia transversa dos jatos é tão mal conhecida que fica parecendo faltar algo).

Você vê que ali em torno de 120-160 GeV tem vários pontos sistematicamente acima do esperado. A linha azul é um ajuste a uma gaussiana com a resolução que o calorímetro deles permite, o que não é lá muito bom (vocês tem que entender que os experimentos do Tevatron são antigos, está mesmo na hora de fechar). O excesso parece como aquele de WW ou WZ, só que com um massa maior que 80 ou 90 GeV. Ou seja, a explicação “natural” seria uma nova partícula tipo o Z, normalmente chamada Z’. O bacana desse tipo de modelo é que ele também explica a grande assimetria forward-backward na produção de pares de top observada, também no CDF, alguns meses atrás.

Bem, para ser completamente sincero, poderia até ser um Higgs. O problema com o Higgs é que a constante de acoplamento do Higgs depende da massa da partícula e isso quer dizer que jatos de quarks bottom deveriam ter um excesso mais pronunciado ainda. Jatos de quarks b são possíveis de serem diferenciados porque tem um vértice deslocado e o CDF tem um detector de silício bem perto do ponto de interação que permite separá-los. Não há nenhum reforço quando essa seleção é feita… so, no Higgs for you, at least not for now.

Todo mundo ficou muito empolgado porque o artigo diz que há uma evidência de 3.2 sigmas. 3.2 sigmas pode parecer impressionante, mas tem muitas coisas que devem ser tomadas com cuidado e muita gente já se decepcionou com evidências de 3 sigmas no passado. Para começar, como já discutimos por aqui, em física de altas energias, a hipótese nula nunca é conhecida com perfeição (um dos caveats clássicos do p-value) e esse tipo de interação considerada nessa análise é particularmente complicada de se calcular.

Para se ter uma idéia se a descrição dos processos conhecidos é adequada, é comum verificar variáveis cinemáticas em regiões onde não há excesso de sinal. Duas variáveis são particularmente importantes para a medida de massa: as energias e as direções. A medida de energia dos jatos é um assunto experimentalmente complicado por si só, e vou deixar para o final. Medir direções é mais simples, já que o CDF tem um vasto detector de traços na sua parte mais interna. O gráfico abaixo mostra a distribuição, em áreas onde não há excesso, de \Delta R = \sqrt{\Delta\eta^2 + \Delta\phi^2} onde \eta=-\ln\tan\frac{\theta}{2} e (\theta,\phi) são os ângulos polares usuais.

Vocês vêem como essa distribuição é mal descrita teoricamente. Claro que pode-se adotar a postura de dizer: ok, eu não sei calcular direito essa variável cinemática, então vou usar a distribuição medida para descrever o background na região de sinal. Quando se faz isso, a evidência do sinal cai para 2.2 sigmas ou sobe para 4.2 sigmas, dependendo da região de controle que se usa. Copiando do artigo:

We use these regions to derive a correction as a function of ∆Rjj to reweight the events in the excess region. We find that the reweightings change the statistical significance of the result by plus or minus one sigma.

Isso mostra como falar em p-values pode ser perigoso. Esse excesso não é visto em procuras por Higgs, imagino, porque vários desses processos de reweighing são utilizados.

Medir a energia dos jatos, outro dado essencial para o valor da massa, é complicado experimentalmente devido aos processos físicos que ocorrem no calorímetro hadrônico. Em processos nucleares, como o núcleo é um sistema fortemente acoplado, há sempre uma fração considerável da energia que some. Além disso, quando não se considera a energia de todas as partículas do jato, ou seja, quando há vasamento, há uma imprecisão adicional intrínsica na escala de energia desses objetos. Já discutimos por aqui como isso é um problema no CMS, por exemplo.

O gif animado abaixo mostra como o excesso desaparece se o erro na escala de energia crescer até 7% (não sei se a incerteza é tão grande assim, provalvelmente fica em torno da metade disso, mas o exercício é interessante):

Ou seja, eu, como a maioria das pessoas, estamos empolgados, mas com pé atrás. O próximo passo é verificar se esse excesso é observado no D0, Atlas e CMS. Eu sei que tanto no D0 quando no Atlas isso já está sendo considerado. Imagino que no CMS também, mas não conheço quem está fazendo essa análise lá. Pode ser uma grande notícia, mas esperem um pouco para estourar a champagne. Nesse aspecto, ponto para o CDF, que escreveu um artigo super sóbrio, sem buzzwords da modinha que não tem significado físico nenhum.

Categorias:Ars Physica
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