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Uma nova partícula?

quinta-feira, 7 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 Deixe um comentário Go to comments

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
  1. quinta-feira, 7 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 22:12:59 EST

    O que as minhas fontes dentro do D0 dizem é que ninguém viu esse tal sinal, de que ele não está presente nos dados do D0… mas, acho que o melhor mesmo é deixar a poeira abaixar e ver o que sobra.😉

    • quinta-feira, 7 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 22:15:52 EST

      Infelizmente, existem restrições políticas em relação as outras duas análises que eu conheço de perto. Realmente não posso comentar.

  2. sexta-feira, 8 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 11:56:50 EST

    Mas quanto tempo será necessário para ter uma resposta?

    Eu pergunto porque ocorreu aqueles múons fantasmas do CDF e a tal violação CP do D0. Esses dois outros também teve artigo falando em partículas novas, mas acho que não se chegou a consenso, ou estou desatualizado?

    • sexta-feira, 8 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 12:02:31 EST

      Olá Leonardo,

      Os múons fantasmas foi um erro de medida, até onde eu entendo. E a violação de CP na assimetria de múons de mesmo sinal medida no D0, o CDF não consegue medir por causa da incerteza sistemática que tem na identificação da carga dos múons no sistema de múons deles.

    • sexta-feira, 8 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 12:07:31 EST

      Tempo é sempre uma pergunta complicada. Depende de quão empolgados as pessoas aqui ficaram. Os experimentos do Tevatron estão com um problema sério de mão de obra. As pessoas do CDF e do D0 estão fazendo o trabalho que umas 10 pessoas no Atlas e no CMS fazem. E isso não é exagero! Eu acho que, por exemplo, a medida do D0 da assimetria forward-backward em ttbar é muito mais importante e ainda não foi feita! Eu só te digo o seguinte: eu não vou fazer. Eu já tenho muita coisa nas minhas mãos. Mais do que até eu consigo fazer.

      • sexta-feira, 8 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 12:19:14 EST

        Oi Rafael,

        Mas então o grupo que publicou os múons fantasmas retratou o artigo ou publicou outro? Ou mais alguém publicou refazendo a análise?

        Eu lembro dessa diferença entre o D0 e o CDF, mas ai ficou por isso mesmo? Não tem nenhuma colaboração do LHC que vai olhar para o mesmo efeito, talvez o LHCb?

        • sexta-feira, 8 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 12:27:47 EST

          Claro que não… porque ninguém sabe onde está o erro! Ou seja, o “até onde eu entendo” pode não ser tão longo assim. O paper é extenso, a análise é complicada… não acho que seja tão fácil apontar defeitos.

          Certamente os experimentos do CERN podem refazer um monte de medidas. Eles estão acumulando os dados.

  3. terça-feira, 26 abr 2011; \17\UTC\UTC\k 17 às 15:04:24 EST

    O comentário que acabou de sair na Science (A Sign of New Particles or General Restlessness? (DOI: 10.1126/science.332.6027.296)):

    Particle physicists haven’t discovered anything truly surprising in 35 years, so a mere hint of something odd works them up in a hurry. So it was last week, when, aided by press reports, news spread that scientists in the United States may have spotted a bit of matter unlike any seen before. But even as they contemplate the implications, physicists are taking the result with a grain of salt. The supposed signal could be an experimental artifact, caution the researchers who found it. And if a new particle is there, physicists may have to perform theoretical contortions to explain why they didn’t spot it before. “I think the result is rather inconclusive,” says Christopher Hill, an experimenter at Ohio State University in Columbus, who was not involved in the work.

    The finding comes from the 700-member team working with the CDF particle detector at Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois. The team analyzed the billions of collisions of protons and antiprotons produced by Fermilab’s atom smasher, the 25-year-old Tevatron, which will shut down this year. Those high-energy collisions can blast into fleeting existence massive subatomic particles not seen in the everyday world. Physicists try to identify those particles by studying the combinations of familiar particles into which they decay.

    In this case, experimenters searched for collisions that produced a particle called a W boson, which weighs about 86 times as much as a proton, along with some other particle that disintegrates into two sprays of particles called “jets.” A jet arises when a collision or decay kicks out a particle called a quark. A quark cannot exist on its own but must be bound to other quarks or an antiquark. So the energetic quark quickly rips more quarks and antiquarks out of the vacuum of empty space, and they instantaneously form particles called mesons, each containing a quark and an antiquark. From the energies and momenta of the two jets, researchers can infer the mass of the particle that produced them.

    CDF researchers see about 250 events in which the jets seem to come from a particle weighing about 155 times as much as proton. Those events show up as an unexpected peak in a data plot (see diagram). The chances that random jets or jet pairs from other sources would produce a fake signal that strong are 1 in 1300, the physicists estimate. “We’ve been struggling for 6 months to make this peak go away, and we haven’t been able to do it,” says Robert Roser, a physicist at Fermilab and co-spokesperson for the CDF team. Still, he says, the signal is “not even close” to strong enough to claim a discovery.

    Experimenters have several reasons to be cautious. The analysis depends critically on physicists’ understanding of jets. CDF does not measure every particle in a jet, so researchers must make a 25% upward correction to a jet’s measured energy. If the uncertainty in that fudge factor is bigger than they estimate, “then maybe the excess isn’t so significant,” says Shahram Rahatlou of Sapienza University of Rome.

    CDF physicists must also take care that they haven’t mistaken random pairs of jets for new particles. To see the peak, they must subtract out a huge “background” produced by events containing a W and random jets. If that subtraction isn’t just right, it could produce a fake signal. “The real question is how well do we understand that [background],” says Joseph Lykken, a theorist at Fermilab.

    But those caveats have not stopped theorists from trying to explain the curious bump in terms of new particles. Felix Yu, a theorist at the University of California, Irvine, suggests that the new particle could be one known as a Z′ (pronounced Z-prime), which would convey a new force much like a very short-range electromagnetic force. Estia Eichten, a theorist at Fermilab, and colleagues say the particle could be a “technipion,” a particle predicted by a type of theory called “technicolor,” which posits a new kind of strong nuclear force.

    To have escaped notice until now, however, a particle would have to have some weird properties. Generally, a Z′ ought to decay into an electron and an antielectron. In fact, experimenters have already searched for and failed to find that decay. So Yu’s Z′ must not decay that way for some reason. The technipion may face similar problems. CDF researchers are searching for the long-sought Higgs boson, the key to physicists’ understanding of mass, by looking for events in which it is produced with a W boson and in which the Higgs decays into two jets specifically triggered by particles called bottom quarks. The hypothetical new particle hasn’t shown up in those Higgs searches, so it must not often decay into bottom quarks, as one would expect a technipion to do.

    For those reasons, some physicists say such explanations of the bump seem contrived or “unnatural.” “Yesterday, these models weren’t popular,” Hill says. Yu counters that “having a theory that looks pretty but doesn’t fit the data isn’t natural.”

    The supposed signal should be confirmed or ruled out in short order. The CDF team has analyzed only half of the data it has already collected. And the Tevatron’s other large particle detector, D0, has a data set as big as CDF’s. If the particle is there, D0 should see it, too. “We hope that within a few weeks you’ll be hearing from us,” says Dmitri Denisov, a physicist at Fermilab and co-spokesperson for the D0 team. In the meantime, physicists will enjoy the buzz.

    For whatever it’s worth.😉

    • terça-feira, 26 abr 2011; \17\UTC\UTC\k 17 às 15:09:00 EST

      Posso dar meu voto para General Restlessness?

  1. quinta-feira, 7 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 20:28:14 EST

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