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E agora José? Esse Higgs é mesmo o Higgs ou não?

sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 Deixe um comentário Go to comments

Antes de mais nada, deixa eu fazer propaganda de duas coisas bacanas que vi na internet recentemente.

Primeiro, um podcast do Caio Gomes e do Rafael Calsaverini sobre a importância da descoberta do bóson Higgs. Tarefa super ingrata, pois o podcast tinha que ser completamente não-técnico (diferente do que eu escrevo aqui, onde me dou certas liberdades técnicas). Mas eles fizeram um bom trabalho – o papo sobre o Higgs começa em torno de 30 minutos, antes disso é só piada.

Alô criançada, o bóson chegou

Tem vários pequenos deslizes que eu posso comentar com o tempo. Mas tem um deslize muito grande, que eu gostaria de comentar aqui. O Tevatron não foi construído para descobrir o bóson de Higgs e é injusto dizer que ele foi uma falha. O primeiro objetivo do Tevatron foi descobrir o quark top e ele o fez. Esse foi o Run I do Tevatron que aconteceu entre 1992 e 1996. A luminosidade integrada entregue a D0 e CDF foi em torno de 160 pb^{-1} o que, como todos sabem, foi suficiente para em 1995 ambas colaborações anunciarem a descoberta desse quark. Os detectores eram bem diferentes naquela época. Por exemplo, o D0 não tinha um solenoide!

Entre 1996 e 2001, ambos os detectores foram modificados para o Run II, que aconteceu entre 2001 e 2011. O D0 recebeu dois novos detectores de tracking (um baseado em fibras cintilantes e um de silício), um preshower (que nunca funcionou muito bem), um solenoide supercondutor de 2T com capacidade de mudar a polaridade e um detector de múons na região frontal. O CDF completou o seu sistema de muons na região central, mudou toda sua câmara de fios (para diminuir o tempo de drifting), construiu o maior detector de silício que existia até antes do LHC (e que deu grandes emoções para eles, um dia eu conto a história), e um novo sistema de calorimetria frontal. Detectores completamente diferentes com propósitos diferentes e um acelerador diferente também: o tempo entre colisões caiu de alguns microsegundos para 132 ns e a energia subiu para quase 2 TeV.

O objetivo das grandes modificações no sistema de tracking (que eram para ser ainda maior, mas não teve dinheiro para tudo) era estudar física de quark bottom. E, novamente, isso foi um sucesso! O CDF foi os primeiro a observar a oscilação do B_s, antes inclusive que experimentos dedicado a física do quark bottom. Muitas medidas do D0 e CDF só estão sendo ultrapassadas agora pelo LHCb.

Os sistemas de identificação de quarks bottom, juntamente com novos cálculos teóricos da seção de choque do Higgs, permitiu que se criasse todo um programa de procura pelo Higgs, principalmente em produção associada WH/ZH decaindo para quarks bottom. E esse programa, apesar das limitações impostas inicialmente nos detectores, também foi de grande sucesso. Usando o canal de WW, foram os primeiros experimentos onde se conseguiu excluir regiões de massa acima do limite do LEP e hoje tem um paper na PRL com uma evidência de 3\sigma justamente nos canais que foram planejados para ter tal evidência. Isso não é um sucesso?

O Run II ainda tinha por objetivo fazer medidas de precisão e a medida da massa do W e da massa do top ainda são mais precisa que as do LHC, mesmo este tendo agora muito mais eventos que o Tevatron. A calibração da escala de energia de jatos para medida da massa do top e da resposta a léptons para medida da massa do W feita no D0 e CDF é ainda a mais precisa já feita na história, mesmo com detectores muito piores que os do LHC (e velhos by now). Eu diria que isso é um grande sucesso.

Então, antes de falar que o Tevatron foi um fracasso, acho que devíamos dar uma olhada em tudo que ele produziu. E isso porque eu não quero nem começar em falar de métodos experimentais. Quem popularizou os MVAs que são usados amplamente no LHC foi D0 e CDF, várias das primeiras análises usando método de elemento de matriz também foram no D0 e no CDF, etc etc etc…

Pronto, ranting mode over.

A segunda propaganda que eu queria fazer é sobre uma série de posts no blog Quantum Diaries. Tem uma editor lá chamado Denis Damazio, quem eu não conheço, que escreve seus posts em inglês e português. E ele obviamente trabalha com o calorímetro do Atlas, que é um sistema de calorimetria muito interessante. Fortemente baseado no calorímetro do D0, mas com modificações para lidar com o intervalo de 25 ns entre colisões que eles planejam ter no LHC (por causa do acidente, eles ainda estão funcionando com 50 ns). Bem, eu não vou gastar mais tempo descrevendo o calorímetro deles, já que o Denis o fez tão bem:

Como um calorímetro funciona, parte 1
Como um calorímetro funciona, parte 2
Como um calorímetro funciona, parte 3

Calorimetria é um assunto que eu gosto muito até porque eu passei meu doutorado inteiro trabalhando com o calorímetro do D0, tanto em hardware, quanto em software online e offline, quanto em análise. Para quem quiser se aprofundar mesmo em calorimetria, essa é a referência canônica:

Calorimetry: Energy Measurement in Particle Physics

Agora que as propagandas e reclamações passaram, vamos falar um pouco de física. No meu último post eu aludi ao fato que, embora seja claro que algo novo foi descoberto, a maioria das pessoas ainda são cautelosas ao associar essa coisa nova ao bóson de Higgs. Note que existe evidências fortes para que esse seja o bóson de Higgs, mas é importante medir todas as suas propriedades antes de dar o carimbo final.

Quais são as propriedades que as pessoas mais querem medir?

Spin: O spin do Higgs no modelo padrão é 0, isto é, ele é um escalar. Na verdade, o primeiro escalar fundamental que, talvez, tenhamos observado. Contudo, nenhuma medida feita até agora permite, de verdade, separar a hipótese de spin 0 da hipótese de spin 2 (a hipótese de spin 1 é descartada pelo teorema de Landau-Yang).

Quando a gente fala em medir spin, a primeira coisa que se pensa é em fazer uma análise angular dos produtos de decaimento. Isso porque, no referencial de centro de massa, a distribuição angular dos produtos do decaimento é dada pela matriz de Wigner para um dado spin e para uma dada helicidade dos produtos.

Idealmente, isso é estudado no decaimento para 2 corpos quando então as helicidades são sempre relacionadas por h_1 = -h_2. No caso do Higgs, contudo, o principal canal de análise seria o decaimento para 4 léptons, já que a direção dos léptons podem ser medidas com precisão muito boa no sistema de tracking. Esse decaimento é um decaimento em cascata através de dois Z e a coisa fica um pouco mais complicada. O seguinte paper faz a análise de como seria essa medida:

Spin determination of single-produced resonances at hadron colliders

Como eu discuti no meu último post, nem sempre podemos realmente chamar o Higgs ou o Z de partículas. Às vezes essa aproximação é boa, às vezes não. Nesse paper eles estudam o caso em que os dois Z são considerados na camada de massa, isso é, como se eles fossem realmente partículas. Esse não é o caso para um Higgs leve, onde um dos Z é sempre muito longe da camada de massa e não obedece a relação M_Z^2 = E^2 - p^2. Na verdade, outros papers, sugerem inclusive usar a distribuição de M_Z medida como uma forma de medir o spin do Higgs:

Identifying the Higgs Spin and Parity in Decays to Z Pairs

Veja na figura abaixo que eu copiei do artigo como as distribuições são diferentes para cada spin:

Medida do spin do Higgs através do decaimento para dois bósons Z medindo a massa dos produtos.

Tem ainda outras propostas mais inusitadas. O artigo

Determination of Spin and CP of the Higgs Boson from WBF

propõe usar a correlação do ângulo azimutal entre dois jatos que às vezes são produzidos junto ao Higgs. Esse modo de produção é chamado de VBF (Vector Boson Fusion). É exatamente o processo inverso ao decaimento para dois Z ou dois W: nesse caso são dois Z ou dois W colidem para produzir o Higgs. Só que então esses bósons vetoriais tem que ser produzidos pelos quarks dentro do próton e, dado que carga de cor se conserva, algo tem que carregar essa carga para o estado final. O que carrega a carga de cor são justamente os dois jatos que o artigo se propõe a usar.

Paridade: O mundo olhado através do espelho não é igual ao nosso mundo. Por exemplo, o que é direito vira esquerdo. Com partículas também acontece isso. Em geral, partículas de spin J, ganham um sinal (-1)^J quando aplica-se o operador de paridade. Essas são as partículas cuja estrutura de Lorentz são descritas por tensores. Mas algumas partículas são descritas por densidades tensoriais, que recebem um sinal extra na transformação de paridade. Em física de partículas, as pessoas chamam isso de paridade intrínsica. E, no Modelo Padrão, a paridade do Higgs é +1.

Bem, num decaimento que preserva paridade é fácil determinar qual é o caso do Higgs. Todos os artigos citados acima sugerem usar distribuições do ângulo azimutal dos léptons no decaimento do Higgs para medir essa propriedade e desconfio que seja assim que a paridade intrínsica do Higgs vá ser medida. Da mesma forma que desconfio que é a através da distribuição de massa que vão medir o spin. Contudo, nenhum desses dois métodos usa toda a informação disponível nos eventos. Para isso, a análise tem que ser feita evento a evento, usando o método de elemento de matriz e eu gostaria muito de ver essa análise feita (na verdade, eu gostaria muito de fazer, mas eu tenho certeza que já tem muita gente fazendo e não é tão fácil assim de qualquer jeito).

Fração de decaimento: Essa talvez seja a propriedade mais simples de se medir e a que deve ter atualizações mais rápidas. A idéia é medir com que probabilidade o Higgs decai para cada um dos estados finais possíveis e ver se o número bate com o Modelo Padrão. Até agora, as únicas frações de decaimento medidas no LHC foram para WW, ZZ e dois fótons. As medidas para férmions ainda não foram possíveis, apesar de terem sido tentadas pelo CMS. A única medida com relativa sensibilidade feita para férmions foi justamente a feita no D0 e CDF recentemente.

Mas isso vai ser feito, inclusive em canais que, apesar de serem de grande resolução, nunca foram usados, como o Z\gamma (veja, por exemplo, Looking for a light Higgs boson in the overlooked channel). Essas medidas são uma forma de confirmar que o acoplamento do Higgs com outras partículas é mesmo proporcional à massa, como deve ser no mecanismo de quebra espontânea de simetria.

Auto-interação do Higgs: O Higgs não só interage com todos os outros campos, como interage com si mesmo. E faz isso mesmo classicamente, no sentido que na ação no modelo padrão tem um termo de interação quártica para o campo do Higgs. Essa auto-interação também é imprescindível para o mecanismo de quebra de simetria eletrofraca, já que é ela que determina que o valor do campo do Higgs não é nulo no vácuo.

Agora, medir isso no LHC é muito difícil. Eu não costumo duvidar da ingenuidade dos físicos experimentais – no passado tivemos exemplos de coisas que nunca poderiam ser feitas mas foram mesmo assim. Mas a maioria das pessoas acredita que mesmo com 3000 fb^{-1} a 14 TeV, a possibilidade de fazer essa medida não é certa. Para essa medida, o ideal é usar um colisor mais limpo, como os propostos ILC e CLiC que colidem elétrons e pósitrons, em vez de prótons. A idéia seria medir decaimentos do tipo H\rightarrow HH\rightarrow WWWW, que são muito raros e difíceis de identificar.

Novas idéias tem surgido. Uma seria fazer um LEP3 (veja LEP3: A High Luminosity e+e- Collider to study the Higgs Boson) no tunel do LHC. Ele usaria o CMS e Atlas e economizaria muito dinheiro. Outra idéia também interessante é criar um colisor de fótons para estudar o Higgs (veja aqui: SAPPHiRE: a Small Gamma-Gamma Higgs Factory), usando o processo inverso de decaimento para dois fótons. Nesse caso, ainda é necessário construir um acelerador de elétrons, mas em vez de deixar eles coliderem, se joga um laser no feixe e se usa o espalhamento Compton com grandes ângulos para gerar fótons de alta energia e fazê-los interagir.

O futuro da física de Higgs é muito rico e há uma possibilidade grande de se aprender mais sobre a física de altas energias medindo com precisão as quatro coisas descritas acima.

Categorias:Ars Physica
  1. sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 14:58:17 EST

    Você tem razão. Ficou uma impressão (totalmente não intencional) de que o Tevatron foi um fracasso, o que óbviamente não é verdade.

  2. sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 15:03:36 EST

    Eu odeio esse “thumbs down”. Não porque eu não gosto de receber crítica, mas eu realmente gostaria de receber uma crítica descrevendo o que a pessoa não gostou. Eu acho que a gente devia tirar esses thumbs idiotas. Talvez as pessoas falassem mais.

    Cara pessoa que deu o thumbs down, você gostaria de ser mais descritivo?

  3. sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 15:23:22 EST

    Olá Rafael, muito obrigado aí pela propaganda! Estou precisando um pouco pra dar um boost no meu blog. Agora vou começar a descrever o trigger do ATLAS relativo à calorímetria (sou o coordenador do High-Level Calorimeter Trigger do ATLAS e desenvolvedor do projeto de Upgrade do nível de hardware do calorímetro do ATLAS). Deixo também uma outra propaganda do canal ATLAS/Brasil, com vários vídeos do ATLAS com legendas em português que fiz com apoio do pessoal da UFRJ : http://atlas-live-public.web.cern.ch/atlas-live-public/brazil/index.html

    • sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 16:19:31 EST

      Cara, você está trabalhando com o pessoal do BNL nisso?

      • sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 18:49:34 EST

        Oi Rafael,
        Eu sou pago pelo BNL pra trabalhar no CERN com instalação e operação do LAr. O Trigger eu puxei por paixão e acabou dando certo. Agora estou no outreach e no upgrade também!
        Veja no meu site!!
        Abraçao
        Denis

        • sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 18:51:57 EST

          Entendi… porque, como você obviamente sabe, tem bastante gente aqui em Stony Brook e BNL trabalhando com operação do calorímetro e atualização do sistema do trigger. Pensei que você estivesse por aqui em LI.

          • sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 19:07:12 EST

            Sim sei! Eu trabalhei com o Helio Takai no projeto Mariachi antes de voltar pro atlas. Trabalhava, no Tilecal no doutorado e agora LAr. Eu que mostrei pro pessoal q valia a pena mexer na granularidade do L1 pra obter maior redução de taxas no upgrade. Talvez conheças meus chefes : Hong Ma e Francesco Lanni.
            Aquele abraço
            Denis

            • sexta-feira, 17 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 19:10:30 EST

              Francesco Lanni eu não conheço não. Mas o Hong Ma eu conheço de várias defesas de tese por aqui e de uma vez que fui apresentar meu trabalho no Particle Physics Seminar lá no BNL. Ele e o George Redlinger foram ótimos hosts, conversamos a tarde e noite inteira sobre física de partículas. Gente boa.

  4. sábado, 18 ago 2012; \33\UTC\UTC\k 33 às 12:52:08 EST

    “Ingenuidade”? Não seria “engenhosidade”? (grammar nazi moment)

  5. Jamie Salcedo
    sexta-feira, 15 fev 2013; \07\UTC\UTC\k 07 às 10:34:41 EST

    Eu estava confuso por um tempo até que eu percebi que era calorimetria, não colorimetria. Eu pensei “o que faz um colorímetro tem a ver com o Higgs-Boson”? Excelente artigo.

  1. sexta-feira, 24 ago 2012; \34\UTC\UTC\k 34 às 11:35:42 EST

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