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Archive for dezembro \24\UTC 2011

Retrospectiva 2011

sábado, 24 dez 2011; \51\UTC\UTC\k 51 1 comentário

Dois mil e onze foi um ano notável para física de altas energias. Eu, na minha curta vida, não me lembro de um ano tão excitante quanto esse. A quantidade de fofocas e resultados foram tão grandes que não passavam duas semanas sem um assunto interessante sendo discutido nos corredores dos departamentos de física ao redor do mundo.

Vamos então fazer uma breve retrospectiva do que aconteceu.

Janeiro: O ano começou com a triste, ainda que cientificamente correta, decisão de terminar as operações do Tevatron no final do ano fiscal. Nesse mês, o Tevatron teve seu limite de produção de Higgs duramente atacado num artigo téorico escrito por Baglio, Djouadi e cia. Depois de muito bate boca, ficou claro que o “erro” que o Tevatron teria cometido não existe e que os autores usaram distribuições de pártons inedequadas. Ainda em janeiro, o CDF publicou um resultado que mostrava uma grande assimetria forward-backward na produção de t\bar{t}. Essa assimetria foi posteriormente confirmada no D0 e por novas medidas do CDF. Embora o LHC não possa medi-la diretamente, outras medidas sensíveis a efeitos que causariam a assimetria do Tevatron foram feitas pelo CMS, pelo ATLAS e nada foi encontrado. Um paper que não chamou tanta atenção, mas merece ser citado, foi a primeira medida do fluxo de carga de cor feita pelo D0.

No Ars Physica:

Fevereiro: O LHCb começou o mês com a primeira observação do decaimento B_s\rightarrow J/\psi \, f_0 (um decaimento importante pois o estado final é um autoestado de CP e pode-se fazer uma medida da fase de violação de CP sem uso de análise angular) e depois confirmado pelo D0 e CDF. Esse tipo de análise foi feita, também pela primeira vez pelo LHCb, agora em dezembro. Ainda em fevereiro, ficou decidido que o LHC rodaria em 2011 e 2012 a 7\, TeV. A previsão feita então para a luminosidade integrada durante este ano que passou foi de 1\, fb^{-1} entregue a cada um dos grandes experimentos. Terminou com mais de 5 vezes essa quantidade!

No Ars Physica:

Março: O primeiro de muitos resultados estranhos no ano. O CDF reportou uma diferença na massa do quark top para o anti-quark top de -3.3\pm 1.7\; GeV e interpretou isso como uma possível assinatura de um efeito que violasse CPT. Outros experimentos, primeiramente o D0 e posteriormente CMS, mediram a mesma diferença e não confirmaram o resultado do CDF.

Abril: O CDF publica um excesso de eventos na distribuição de massa de di-jatos produzidos em associação com um bóson W. Eles interpretaram esse excesso como uma possível nova partícula com massa em torno de 145\, GeV e gigantesca seção de choque. O mesmo bump foi procurado pelo D0 e pelo ATLAS posteriormente e nada foi encontrado. Nesse mesmo mês o LHC começou a operar com uma luminosidade instantânea maior que a do Tevatron. Ainda em abril, uma nota interna do ATLAS vazou com uma possível ressonância em torno de 114\, GeV observada no canal de di-fótons. O resultado foi refutado pela própria colaboração ATLAS posteriormente. Para fechar esse mês em que ninguém dormiu, o XENON100 publicou seu primeiro resultado excluindo a área em que o DAMA havia interpretado como possível de se encontrar matéria escura devido a uma modulação do sinal detectado por esse experimento.

No Ars Physica:

Maio: Outro experimento de matéria escura, o CoGeNT também detecta uma modulação anual no seu sinal, consistente com a do DAMA em fase e criando mais tensão na interpretação com o resultado do XENON100. Ainda em maio, o FERMI confirmou o excesso de pósitrons de altas energias detectado pelo PAMELA no ano anterior. Alguns viram esse excesso como um sinal de matéria escura, mas outras soluções mais comuns também foram propostas. Para terminar esse mês “espacial”, o AMS entrou em operação, mas até onde eu sei, nenhum resultado foi apresentado até o final desse ano.

No Ars Physica:

Junho: A colaboração T2K anuncia, pela primeira vez, uma medida de \sin^2(2\theta_{13}) diferente de zero. O resultado foi, ainda no mesmo mês, confirmado pelo MINOS e, em novembro, pelo Double Chooz. Esse ângulo era o único que nunca havia sido medido na matriz de mistura dos neutrinos. Esses experimentos agora tentam medir a fase de violação de CP nesse setor, o que até hoje continua inacessível aos nossos experimentos.

No Ars Physica:

Julho: O D0 faz uma atualização da medida da assimetria de produção de di-múons de mesmo sinal, levando a discrepância com o modelo padrão a 4\sigma. O LHCb promete fazer medidas complementares para verificar o efeito, mas até agora nada foi publicado. O CDF reporta uma detecção do decaimento B_s\rightarrow \mu\mu com uma fração de decaimento muito maior que a do modelo padrão. O LHCb faz a mesma procura e não confirma o resultado. Ainda no mesmo mês, o CDF publica a descoberta do bárion \Xi_b^0, fechando o octupleto de bárions com um quark bottom e J=1/2. A massa do top é medida pelo Tevatron com incerteza abaixo de 1\; GeV. 2011 também foi o ano em que a massa do top começou a ser medida através da seção de choque, permitindo uma interpretação teórica mais sólida em termos de que esquema de renomalização está sendo usado. A primeira colaboração a fazer isso foi o D0, em abril, e agora no final do ano, tanto ATLAS quando CMS preparam medidas similares.

No Ars Physica:

Agosto: O LHCb continua destruindo resultados do Tevatron. Nesse mês, o LHCb faz uma medida do ângulo de violação de CP \phi_s completamente de acordo com o modelo padrão e indo contra indicações de discrepância com o modelo padrão em resultados anteriores do D0 e do CDF (sendo honesto, os próprios D0 e CDF reviram seus resultados em publicações que sairam antes do artigo do LHCb) e, de quebra, desfavorecendo esse tipo de interpretação para a assimetria de múons de mesmo sinal no D0. O LHCb também fez um procura pelo exótico Y(4140) (similar ao interessante e controverso X(3872), que realmente existe) que o CDF reportou a descoberta em janeiro desse ano e não encontrou absolutamente nada.

Setembro: O Tevatron é desligado definitivamente e os detectores D0 e CDF terminam suas operações com feixe depois de mais de 20 anos! Nesse mesmo mês, a colaboração OPERA faz sua primeira medida de neutrinos superluminares, refeita posteriormente com uma extração de prótons mais curta. Embora a conclusão tenha sido mantida, o clima de desconfiança no resultado pela comunidade continua a existir.

No Ars Physica:

Outubro: O CDF publica um excesso na produção de ZZ em torno de 327 GeV, que nenhum outro experimento confirmou. Nesse mesmo mês, Glashow e Cohen publicam um artigo teórico colocando em cheque o resultado do OPERA através da medição do espectro de energia dos neutrinos. Além de GC usarem resultados antigos de espectro de energia (inclusive do próprio OPERA), o experimento ICARUS faz uma medida em que usa explicitamente essa predição para refutar o resultado de neutrinos superluminares.

Novembro: O ATLAS e CMS fazem sua primeira combinação de exclusão do Higgs com os dados coletados até o verão de 2011 (até 2.3\, fb^{-1}). Eles excluem toda a região de baixa massa menos entre 114 e 141 GeV. O LHCb reporta uma grande violação de CP no decaimento de mésons D medindo, para isso, a diferença de assimetria no decaimento do D0 para píons e káons. Não é claro ainda se esse efeito é contemplado ou não pelo modelo padrão, mas algumas pessoas já dizem que não. O CDF também fez a mesma medida esse ano, não confirmando o resultado do LHCb (os resultados são consistentes, mas o resultado do CDF puxa a média para um valor muito próximo do modelo padrão). O CDF também atualiza sua misteriosa medida de múons fantasmas e o desacordo com o modelo padrão persiste.

Dezembro: A colaboração ATLAS e CMS divulgam os primeiros resultados da procura pelo Higgs com todos os dados de 2011 e ambas observam um sinal em torno de 125 GeV. O ATLAS, sozinho tem uma evidência de 3.6 \sigma em 126\; GeV, enquanto o CMS tem uma evidência de 2.5\sigma em 124\, GeV. Muitos viram isso como uma descoberta do bóson de Higgs, mas ambos experimentos foram rápidos em dizer que nada pode ser concluído desse excesso. Para fechar o ano, o ATLAS divulga a observação de uma excitação \chi_b(3P) de b\bar{b}, nunca antes detectada.

No Ars Physica:

Espero que 2012 seja mais excitante ainda. Vamos ver o que as conferências de inverno nos reservam!

Para algo menos polarizado, você pode ver a já tradicional lista das 10 maiores descobertas em física de 2011 do Physics World.

Feliz Natal!

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Propaganda sem vergonha

quarta-feira, 14 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 2 comentários

Eu sei que o blog não é só meu, mas acho que vale a propaganda.

Depois de 60 milhões de dólares doados para criar o Simons Center for Geometry and Physics, Jim Simons fez outra doação para a Universidade de Stony Brook, dessa vez de 150 milhões de dólares, para criar o Center for Medical and Research Translation que será dedicado ao estudo de neurociências, doenças infecto-contagiosas e câncer.

Se você juntar isso à doação recebida ano passado para criar o Laufer Center for Quantitative Biology oferecida por outro matemático oriundo da Renaissance Technologies, Henry Laufer, e diversas outras doações menores já feitas por Jim Simons, fica clara o investimento privado que está sendo feito nessa universidade, permitindo que ela cresca mesmo em época de crise.

Eu, particularmente, acho que essas doações são importantes não só pelo valor material agregado, mas também para livrar Stony Brook do estigma de state university, que é como ela é tratada pelos legisladores do estado de Nova York, apesar da excelente estrutura de pesquisa. Como exemplo do que digo, hoje também foi aprovado pelo governador do estado o projeto NYSUNY2020, que resulta em mais 35 milhões para a estrutura de pesquisa da universidade. O estado também aprovou recentemente um aumento considerável da tuition, que está permitindo Stony Brook, aos poucos, se recuperar dos cortes feitos durante a época da crise.

Essa universidade, junto com os laboratórios, como o Brookhaven National Laboratory e o Cold Spring Harbor Laboratory, e com algumas indústrias de alta tecnologia, como a HYPRES, no seu entorno, com os quais a universidade mantém estreitos laços, fazem de Stony Brook uma rising star em muitas áreas de pesquisa. Recentemente, novos centros de pesquisa em tecnologia wireless (CEWIT) e desenvolvimentos de novas drogas (ICBDD) também foram criados aqui. Eu tenho certeza que em poucos anos, Stony Brook alcançará o nível das melhores universidades públicas do mundo.

🙂

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Atualização da procura pelo Higgs. Ou ainda: eis o Higgs!

terça-feira, 13 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 6 comentários

Hoje, numa apresentação muito concorrida, os líderes dos experimentos ATLAS e CMS, do LHC, divulgaram os primeiros resultados da procura pelo Higgs usando todos os dados coletados em 2011. E o resultado é muito impressionante!

Vamos começar pelo ATLAS. A colaboração ATLAS só atualizou dois canais: H\rightarrow \gamma\gamma e H\rightarrow ZZ\rightarrow 4\ell. Esses são os canais com alta resolução de massa, algo como em torno de 1-3\%. Como eu expliquei num post anterior, a primeira evidência de um Higgs seria vista nos gráficos de exclusão com uma região estreita de massa com excesso de eventos impedindo exclusão. E assim foi:

Aquele excesso de dados ali em torno de 125 GeV é um sinal de Higgs. Mas com que certeza se pode dizer isso? A primeira coisa que você tem que ver é se o número de eventos no excesso é compatível com o que seria produzido por um Higgs. Isso é respondido no gráfico abaixo:

onde o eixo vertical mostra a fração do excesso ou déficit para o previsto por um Higgs do modelo padrão. Veja que o excesso em torno de 126 GeV é perfeitamente compatível com o valor 1.

A segunda pergunta que normalmente se faz é qual é a probabilidade desse excesso ser apenas uma flutuação do background (ie, outros eventos que geram o mesmo tipo de sinal no detector). Essa resposta é dada em duas partes. Primeiro, se responde qual a probabilidade disso para cada hipótese de massa em particular e a resposta é dada no gráfico abaixo:

Depois se pergunta qual a probabilidade de um sinal tão forte quanto ser uma flutuação do background em qualquer hipótese de massa (em termos leigos: a probabilidade de alguém ganhar na mega-sena é muito maior que a probabilidade de você ganhar na mega-sena) . Isso depende de em quantas hipóteses de massa diferentes a variação pode ter surgido e da resolução de massa de cada canal levado em consideração. A evidência final que a colaboração ATLAS reporta, levando em conta esse assim chamado look elsewhere effect numa região de baixa massa é 2.5\sigma, isto é:

Para o sinal observado no ATLAS, há apenas uma probabilidade de 0.62\% do sinal ter vindo de uma flutuação positiva espúria do background levando em consideração as hipóteses de massa em que o Higgs foi procurado.

Maiores detalhes podem ser encontrados na nota escrita para a apresentação de hoje. Se você quer chamar isso de uma observação do Higgs (descoberta, evidência, indicação, ou qualquer outro nome bobo), eu acho que depende do seu prior. Para mim, o que foi apresentado hoje é muito convincente.

A situação do CMS é um pouco diferente. Eles atualizaram as análises em praticamente todos os canais de decaimento, inclusive usando análise multivariada em vários deles! E isso é muito impressionante. Vamos começar com o gráfico de exclusão também:

Apesar do gráfico não ser tão claro, a presença de um excesso é clara na mesma região de massa. O centro do excesso do CMS é em torno de 124 GeV:

Eu não me incomodo com diferença de massas de 2 GeV já que, como disse acima, a resolução de massa de cada um dos experimentos para um sinal desse tipo é em torno de 2 GeV, o que faz com que os sinais observados sejam perfeitamente consistentes. A evidência para o CMS, levando em consideração novamente o look elsewhere effect numa região de massa razoável é de 1.9\sigma, ou melhor:

Para o sinal observado no CMS, há apenas uma probabilidade de 2.8\% do sinal ter vindo de uma flutuação positiva espúria do background levando em consideração todas as hipóteses de massa em que o Higgs foi procurado.

O sinal do CMS não salta tanto aos olhos porque eles atualizaram todos os canais e em procuras por WW, \tau\tau e bb, a resolução é do tamanho do intervalo ainda não excluído. No entanto, eles fazem uma análise lateral muito interessante, separando apenas os sinais de alta resolução, e então, tanto excesso no gráfico de exclusão…

quanto a vala no gráfico de probabilidade do background gerar um sinal espúrio igual ao observado…

são mais claros. Os detalhes da análise, tal como no caso do Atlas, podem ser encontrados na nota escrita para essa apresentação.

Se, para você, isso não é evidência suficiente para dizer que o Higgs foi observado, tudo que se pode extrair das apresentações de hoje é que a região em que ainda é possível estar um Higgs é 115.5 < m_H < 127\, GeV. E embora eu ache que esse tipo de cautela é boa para os experimentos, pessoalmente é muito difícil dizer que o que foi observado não é o Higgs. Se é o Higgs do modelo padrão, bem, isso vai demorar um pouco mais mesmo para me convencer. Nesse sentido, o CMS deu o primeiro passo e usou todos os canais atualizados para medir a seção de choque e compará-las com o previsto para o Higgs do modelo padrão. A concordância é boa, apesar de pouco significativa estatisticamente:

O intervalo de massa acima não vem de uma combinação propriamente dita entre os dois experimentos. Essa combinação deve ser apresentada em Moriond 2012. O intervalo acima é o complemento de uma simples união dos intervalos de exclusão dos dois experimentos. O blog viXra, como sempre, deve fazer uma combinação aproximada do sinal dos dois experimentos.

Para irritar meus colegas do LHC

Eu não tenho nada contra o que o P. Gibbs faz no blog dele combinando os sinais considerando que as incertezas são todas não correlacionadas. Na verdade, para região de baixa massa, ele conseguiu uma concordância muito boa com a combinação oficial. E, enquanto a oficial não sai, essa é a combinação que ele fez com os canais de alta resolução do ATLAS e CMS:

Use com moderação, mas é difícil não ser convencido que o Higgs foi observado!

Um bônus para vocês

Tanto o ATLAS quanto o CMS põem muito esforço em produzir imagens com os sinais registrados nos vários subdetectores para eventos interessantes. Abaixo, temos um exemplo de um evento que pode ser gerado por interação mediada pelo bóson de Higgs:

A imagem tem um monte de informação, então vou tentar caminhar por ela para vocês entenderem como se procura por esses eventos.

Primeiro veja a imagem 3D, no centro do infografo. Ali tem todas as componentes do detector. Próximo à colisão há diversos traços que são gerados por pares elétron-buraco em detectores de silício e por ionização em detectores de gás. Depois há algumas torres verdes que são do calorímetro eletromagnético de argônio líquido e cada torre é a medida de carga ionizada no líquido. Depois disso há algumas células amarelas que representam luz de cintilação do calorímetro hadrônico. Por fim, tem uns detectores bem externos, representados por células azuis, que são outros detectores gasosos de traços, dedicados à detecção de múons.

Imediatamente você percebe que dois traços chegaram no detectores externos (linhas vermelhas), dizendo que há então dois múons no eventos. O momento deles é medido pela curvatura desse traço, pois dentro do detector há um forte campo magnético. Como eles tem alto momento, a curvatura é muito pequena, mas ainda assim é possível fazer uma medida precisa. A direção dos múons é medida pela direção dos traços.

No canto superior direito há uma seção reta do cilindro que é o detector. Nessa seção é fácil identificar duas torres no calorímetro com bastante energia. Essas torres são geradas por partículas carregadas, pois é possível combiná-las com traços no detector interno (linhas verdes). Esses são então elétrons. A direção deles é medida pelos traços no detector interno e a energia pela quantidade de carga ionizada no argônio líquido.

Por fim, no canto inferior esquerdo, há um grande zoom no centro do detector de traços interno. Todas as linhas são extrapoladas até o centro de tubo e é verificado em que ponto elas se encontram, formando vários vértices primários. Cada vértice primário é uma interação diferente e, se seu olho for bom, você vai ver várias interações que aconteceram no mesmo cruzamento entre os dois feixes de prótons do LHC. O mais importante, contudo, é que tanto as linhas do elétrons, quanto a linha dos múons, vieram da mesma interação, dizendo que eles tem uma origem comum.

Nesse caso, esse evento é um cadidato a H\rightarrow Z(\rightarrow ee) Z(\rightarrow \mu\mu). Para medir a massa desse candidato basta somar todas as energias e todos os momentos dos dois elétrons e dos dois múons e usar a famosa fórmula do Einstein m^2 = E^2 - p^2.

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