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

terça-feira, 13 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 Deixe um comentário Go to comments

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.

Categorias:Ars Physica
  1. sexta-feira, 16 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 às 12:30:06 EST

    a minha dúvida (leiga) é: já existe alguma teoria que relacione estruturalmente a eminente partícula primordial de Higgs ao quark?

    • sexta-feira, 16 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 às 14:35:00 EST

      Desculpa, eu não entendo o que você quer dizer com sua pergunta. Talvez você possa me explicar o que significa “relacionar estruturalmente”.

      • sexta-feira, 16 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 às 15:30:39 EST

        talvez não faça muito sentido, pois a minha formação é astronomia, mas a impressão que fica pra mim é que, a partir da descoberta de uma partícula mais energetica que a menor partícula então conhecida de matéria, o quark, pudesse haver uma relação na composição desta em relação àquela.

        • sexta-feira, 16 dez 2011; \50\UTC\UTC\k 50 às 16:40:49 EST

          Não, os quarks não são compostos de Higgs. Até onde se sabe, os quarks não tem subestrutura. O Higgs é uma partícula tão fundamental quanto o quark é.

  1. domingo, 25 dez 2011; \51\UTC\UTC\k 51 às 11:12:59 EST
  2. domingo, 12 fev 2012; \06\UTC\UTC\k 06 às 17:22:13 EST

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