Archivos de la categoría ‘LHC – CERN’

 

Fuente: francisthemulenews.wordpress.com/category/lhc-cern/


Es “aproximadamente imposible” que el LHC no resuelva el problema de la ruptura electrodébil

Posted by emulenews en 5 Octubre 2010

Tommaso Dorigo ha impartido una charla hoy en el LHC Days titulada “Top at Tevatron.” Tommaso nos resumió su charla el viernes pasado en su blog “How Important Is To Know The Value Of The Top Quark Mass?,” A Quantum Diaries Survivor, October 1st 2010. Ayer lunes también nos resumió/trasncribió en directo la interesante charla de Guido Altarelli, “LHC Physics in the SM and Beyond,” LHC Days, 4th October 2010, en su entrada “Altarelli: “Approximately Impossible” That LHC Fails,” A Quantum Diaries Survivor, October 4th 2010. Permitidme que os traduzca al español algunos pasajes (aunque debo recomendar la lectura del original en inglés, mucho más completo).

“¿Cuál es el estado de la física de partículas hoy en día? Todo el mundo está convencido de que el Modelo Estándar (SM) es una teoría efectiva que comprende la cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil con ruptura espontánea de la simetría gracias al mecanismos de Higgs. El SM una teoría bien apoyada por los datos y que permite realizar cálculos con precisión gracias a que es renormalizable. Sin embargo, el SM no es una teoría satisfactoria, presenta divergencias cuadráticas a alta energía y no explica la gran diversidad de masas de las partículas que conocemos. Todos estos problemas del SM se muestran en el sector de Higgs, por ejemplo, las divergencias dependen de la masa del Higgs. El problema es que del sector de Higgs no se sabe casi nada. Las búsquedas directas en el LEP II y en el Tevatrón indican que su masa es inferior a 186 GeV/c², si el bosón de Higgs es un doblete de isospín débil,” el más sencillo posible, también llamado Modelo Estándar Mínimo. 

¿Se pueden corregir los problemas del Modelo Estándar sin el bosón de Higgs? En la escala de energías alcanzable en el LHC (la escala de los TeV) el SM predice violaciones de la unitariedad” (que garantiza que las probabilidades cuánticas no sean negativas) “y el bosón de Higgs es fundamental para garantizar que dichas violaciones no se produzcan. Si no hay Higgs, tiene que haber física más allá del SM en la escala TeV que elimine estas violaciones. En este sentido, el problema más importante que se tiene que resolver en el LHC es ¿qué es lo que preserva la unitariedad? Puede ser el bosón de Higgs, nuevos bosones vectoriales W’ o Z’, otras partículas, etc. Un bosón de Higgs permite que el SM sea válido hasta la escala de Planck solo si su masa en reposo es mayor de 128 GeV/c² e inferior a 180 GeV/c².”

¿Es posible que el bosón de Higgs no se encuentre en el LHC? Guido se refiere a la solución del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil. Parece poco probable que así sea ya que el rango de energías que estudiará el LHC es muy amplia. Por ejemplo, un bosón de Higgs con un masa mayor de la observable en el LHC llevaría al colapso de la teoría de perturbaciones y sería muy difícil de conciliar con los tests de precisión electrodébil actuales.”

“¿Supone encontrar el Higgs el fin de la física de partículas? No, porque el SM tiene otros problemas conceptuales, como la inclusión de la gravedad cuántica, el problema de la jerarquía de masas, el rompecabezas del sabor (la existencia de tres familias de partículas), la ausencia de candidato para la materia oscura, la bariogénesis y la violación de la simetría CP, y muchos otros defectos conceptuales. Además, hay que estudiar si la Naturaleza hace uso de la supersimetría (SUSY), las fuerzas de technicolor, dimensiones extra del espacio-tiempo, etc. En opinión de Guido, todo apunta a la idea de que el LHC encontrará nueva física más allá del SM, siendo la SUSY el modelo más sugerente, porque es el más completo, consistente y calculable. Altarelli también apuntó que ya hay algunas observaciones experimentales (como la anomalía de los muones) que podrían ser una señal real de nueva física.”

“¿Es posible que el LHC no encuentre el bosón de Higgs? Sí, pero en ese caso debe encontrar nueva física que explique el problema de la unitariedad. ¿Es posible que el LHC encuentre el bosón de Higgs, pero no encuentre nueva física más allá del SM? También es posible, pero para Altarelli habría que recurrir al principio antrópico para explicar muchos de los parámetros del SM. Por último, ¿es posible que el LHC no encuentre ni el bosón de Higgs ni nueva física? Altarelli afirma que esto es imposible, salvo que haya problemas técnicos con el LHC que no permitan explorar de forma completa la escala electrodébil de energías. ¿Podrá el LHC explorar toda esta escala? Normalmente debería poder hacerlo, pero nunca se puede decir “nunca jamás” así que Altarelli finalizó su charla afirmando que es “aproximadamente imposible” que el LHC no resuelva el problema de la ruptura de la simetría electrodébil en el modelo estándar.”

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPersonajesPhysicsPrensa rosa,Science | Etiquetado:  | 2 Comentarios »

OVNIs en el interior del túnel del LHC en el CERN

Posted by emulenews en 5 Octubre 2010

Un OVNI es un Objeto Volante No Identificado (UFO en inglés). Durante las 39 semanas de funcionamiento del LHC del CERN, cerca de Ginebra, se han observado 12 pérdidas locales de los haces que han obligado a parar de forma preventiva la máquina. Su causa es un OVNI de origen aún no identificado. Estos OVNIs podrían ser pequeñas partículas de polvo que habrían entrado en el túnel. También se han observado ciertas pérdidas del nivel de vacío en el túnel; antes de la inyección de paquetes de protones la presión en el túnel es de 1’8 × 10-10 mbar y tras el llenado aumenta a 4’3 × 10-8 mbar. También se desconoce la causa de este pequeño problema. Tampoco se ha encontrado la causa dell “hump” del LHC (ver figura más abajo), una vibración en los haces de origen desconocido que lleva siendo estudiada desde principios de año y aún no se tiene ni idea de qué es. Se han hecho todas las pruebas imaginables, que han podido imaginar hasta ahora los técnicos, y su origen sigue siendo una incógnita. Estos tres problemas son los más importantes que tiene el LHC del CERN según la charla de Mike Lamont (LHC team), “LHC machine commissioning and the near future,” LHC Days, 4 octubre 2010 [PS: Program 2010 LHC Days in Split].

Por lo demás, el LHC está funcionando a las mil maravillas y su luminosidad va viento en popa. Ya se están produciendo colisiones con 200 paquetes de protones y este jueves se usarán 240. La semana que viene se alcanzará el objetivo de 336 paquetes por haz y quedarán dos semanas de reserva para seguir aumentando el número de paquetes o para realizar pruebas en busca de pistas sobre los problemas del LHC, o para lo que la comisión decida. Lamont no nos lo ha indicado en su charla.

Más información en este blog sobre el LHC, sobre paquetes de protones y sobre el “hump” del LHC: ”La carrera a toda prisa hacia los 384 paquetes de protones a 150 ns en el anillo del LHC del CERN antes de noviembre,” 23 Septiembre 2010; ”Todavía no se sabe la causa de la misteriosa vibración en los haces de partículas del LHC del CERN,” 19 Julio 2010; y ”Misteriosa vibración de 8 kHz en los haces de partículas del LHC del CERN por causa aún desconocida,” 3 Mayo 2010. También sobre lo bien que va la máquina: “Este fin de semana se ha obtenido un nuevo récord de luminosidad en el LHC del CERN que avanza viento en popa,” 9 Agosto 2010; y ”El presente y el futuro del LHC del CERN,” 16 Junio 2010.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsPrensa rosaScience | Etiquetado:  | 8 Comentarios »

El LHC del CERN ya produce más bosones de Higgs por segundo que el Tevatrón del Fermilab

Posted by emulenews en 26 Septiembre 2010

Si el bosón de Higgs (predicho por el modelo estándar) existe y tiene una masa de 120 GeV/c², las colisiones que se han producido en el LHC del CERN este fin de semana han producido más bosones de Higgs por segundo (1’4 veces más) que las colisiones que se están produciendo en el Tevatrón del Fermilab. También está produciendo más pares de quarks top-antitop por segundo (1’87 veces más). Los cálculos no son complicados: en el Tevatrón se produce un par de quarks top-antitop cada 333 segundos de colisiones a luminosidad récord y en e LHC cada 178 segundos, y un bosón de Higgs (120 GeV/c²) en el Tevatrón cada 2778 segundos y uno en el LHC cada 1923 segundos. Los interesados en los cálculos detallados, muy sencillos, pueden recurrir a Tommaso Dorigo, “LHC Surpasses The Tevatron As A Top And Higgs Factory!,” A Quantum Diaries Survivor, September 26th, 2010.

Ayer sábado, con 104 paquetes de protones en el LHC, la luminosidad instantánea alcanzada fue de 3’5 × 10³¹ colisiones por centímetro cuadrado y por segundo, lo que equivale, en 13 horas de funcionamiento a 1’06 inversos de picobarn de colisiones acumuladas. Alcanzar esta luminosidad instantánea en el LHC ha requerido 7 meses, cuando en el Tevatrón requirió dos años (2001-2003). Hoy en día, el Tevatrón es 10 veces más luminoso (el récord en el Tevatrón es de 4 × 10³² colisiones por centímetro cuadrado por segundo). Para calcular el número de partículas pesadas producidas por segundo además de la luminosidad instantánea es necesario conocer la probabilidad de producción de dicha partícula (sección eficaz o cross section), que depende de la energía en el centro de masas (c.m.) de las colisiones. En las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón se alcanzan casi 1’96 TeV c.m., pero en las del LHC se alcanzan los 7 TeV c.m., por lo que la producción de cualquier partícula pesada es más probable en el LHC que en el Tevatrón. La sección eficaz de producción de un par de quarks top-antitop en el Tevatrón a 1.96 TeV c.m. es de 7’5 pb, mientras que en el LHC a 7 TeV c.m. es de unos 160 pb. En el caso del Higgs ocurre otro tanto, en el Tevatrón tenemos 0’91 pb y en el LHC alcanzamos 14’8 pb.

Hay que recordar que el LHC no le ha ganado al Tevatrón en producción por segundo de estas partículas, sino que seguirá haciéndolo mientras funcione hasta la última semana de octubre (para entonces, si todo va bien, en lugar de 104 paquetes de protones se utilizarán 384 paquetes y la luminosidad instantánea será 3’7 veces mayor).

Más información sobre el buen estado de las colisiones en el LHC en el mensaje del Director General del CERN, Rolf Heuer, “Message from the Director General: A game-changing fill for the LHC,” CERN News, 24 September 2010. [visto en Peter Woit, "LHC Update," Not Even Wrong, September 24th, 2010]. Ver también Philip Gibbs, “LHC passes 1/fb/year peak luminosity,” viXra log, September 25, 2010.

Por cierto, mañana 27 de septiembre empieza la conferencia ”Prospects For Charged Higgs Discovery At Colliders (CHARGED 2010),” Uppsala, Suecia, 27-30 September 2010. La figura que abre esta entrada está extraída de las transparencias de la charla de Alexandros Attikis (Universidad de Chipre), para la Colaboración CMS (del LHC en el CERN), “QCD backgrounds in charged Higgs searches,” cH±arged 2010, Uppsala, 29 Sep. 2010.

Publicado en Bosón de HiggsCienciaFísicaLHC - CERNPhysicsScience | Etiquetado: | 1 comentario

La carrera a toda prisa hacia los 384 paquetes de protones a 150 ns en el anillo del LHC del CERN antes de noviembre

Posted by emulenews en 23 Septiembre 2010

 

Mañana, 24 de septiembre, se inyectarán 96 paquetes de protones en el anillo del LHC separados por 150 ns (nanosegundos) y el sábado 104. Hoy se han inyectado 56 paquetes y ayer se inyectaron 24. A finales de agosto los paquetes de protones se inyectaban en el anillo con una separación de 1000 ns. Si todo va bien, en unas 5 semanas se alcanzarán los 384 paquetes a 150 ns, justo antes de pasar en noviembre a colisiones de iones pesados hasta el parón navideño. Las próximas cinco semanas van a ser de alta tensión en el LHC del CERN, ya que pasar de 1000 ns a 150 ns no es trivial. Ha requerido tres semanas de preparativos (las primeras de septiembre) sin colisiones estables. Steve Myers, director del comisionado de los haces del LHC, lo tiene claro: si no se logran alcanzar los 384 paquetes a 150 ns la última semana de octubre, el objetivo de obtener un inverso de femtobarn (1/fb) de colisiones para noviembre de 2011 no podrá lograrse. Steve es optimista y confía en que todos los técnicos e ingenieros del LHC darán el 100% para lograr la meta con completo éxito. Lo lograrán. Seguro que sí.

Los interesados en conocer de primera mano lo que se cuece día a día en el LHC pueden informarse en “LHC 2010 – latest news” que incluye las presentaciones (ppt) de las reuniones a primera hora de la mañana de la comisión de haces del LHC. Los que consideren que dicha información es demasiado técnica, que no se preocupen que en este blog les resumiremos lo más interesante. No somos el único blog que lo hace. Con más asiduidad (pero en inglés, claro) podéis recurrir a Philip Gibbs y su blog viXra log. Por ejemplo, esta semana podéis leer “LHC 2010 Crescendo finale,” viXra log, September 20, 2010; “September LHC update,” viXra log, September 22, 2010; “LHC stable beams are back,” September 22, 2010; y “LHC luminosity reaches 20/microbarn/second,” September 23, 2010.

Para los despistados, permitidme recapitular un poco qué significa “paquetes de protones” y cómo afectan los parámetros de inyección al número de colisiones.

En el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC) del CERN colisionan haces de protones a 7 TeV c.m., es decir, dos haces de protones acelerados por imanes superconductores hasta alcanzar una energía de 3’5 TeV cada uno chocan frente a frente para alcanzar 7 TeV en el centro de masas (c.m.) del punto de colisión. ¿Qué son 3’5 TeV? Más o menos una energía equivalente a 3700 veces la masa de cada protón. A estas energías ultrarrelativistas los protones se mueven a una velocidad muy próxima a la velocidad de la luz en el vacío (en concreto a 3’5 TeV al 99,9999991% de ésta). Cómo se puede conseguir que una partícula tan pequeña como un protón colisione exactamente contra otro protón. Parece imposible y lo es. La única manera es hacer que colisionen un paquete (bunch) de muchos protones contra otro paquete de muchos protones (ahora mismo unos 115 mil millones de protones por paquete, 1’15 · 10¹¹ protones/bunch).

El objetivo del comisionado de haces en el LHC es alcanzar el máximo número posible de colisiones protón-protón en los cuatro puntos de cruce donde se encuentran los detectores de los 6 experimentos principales (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, LCHf y TOTEM). La “intensidad” de las colisiones se llama luminosidad. Para alcanzar la máxima luminosidad en el LHC hay que inyectar 2808 paquetes de protones (el número máximo de paquetes para el que está diseñado el LHC). Para alcanzar este número hay que ajustar muchísimos parámetros, por ello, durante los primeros años de colisiones se inyectan un menor número de paquetes. Hay que recordar que los paquetes a velocidades ultrarrelativistas se alargan y si hay muchos paquetes pueden llegar a tocarse e interaccionar entre sí. En agosto los paquetes de protones se inyectaban en el anillo con una separación de 1000 ns y esta semana se están separando con solo 150 ns, lo que permite alcanzar solo hasta 384 paquetes simultáneos por haz. Incrementando el número de paquetes en bloques de 48 se requieren 8 semanas para alcanzar los 384. Para lograr hacerlo desde esta semana hasta la última semana de octubre, habrá que añadir 48 paquetes cada cinco días, en los que habrá que probar que se logra alcanzar un estado estable robusto para las colisiones (se requieren unas 20 horas de colisiones estables para estar seguros de que se controla bien el proceso). Los tiempos están muy ajustados, por ello he titulado la entrada “la carrera a toda prisa.”

Hoy las colisiones en el LHC siguen el esquema de inyección llamado 150ns_56b_47_16_47_8bpi. Esta notación significa que se inyectan cada 150 ns, 7 trenes de 8 paquetes de protones, es decir, 56 paquetes por haz. Por cada vuelta de un paquete de protones a todo el anillo del LHC se producirán 47 colisiones en los puntos donde están colocados CMS, ATLAS y LHCb, y 16 donde está colocado ALICE. La luminosidad instantánea máxima será de 14/μb/s (catorce microbarns por segundo).

Un factor importante a tener en cuenta es el ángulo con el que colisionan los paquetes de protones en los cuatros puntos donde se encuentran los detectores. Las colisiones son “casi” frontales. A 150 ns se están cruzando los haces con un ángulo de 170 microradianes (en teoría podría reducirse hasta 80 microradianes sin problemas).

Para cumplir el objetivo del LHC para finales de 2011 (lograr un 1/fb de colisiones acumuladas) es necesario que el año que viene se reduzca el intervalo de inyección de paquetes de protones hasta 75 ns. Myers opina que podrán alcanzar los 50 ns, en cuyo podrían superar con creces el objetivo de 1/fb. Myers es optimista pero ahora mismo lo prioritario es cumplir con el objetivo a corto plazo: 384 paquetes a 150 ns la última semana de octubre. Si se logra se acumularán unos 50/pb (desde el 31 de marzo se han acumulado solo 3’6/pb).

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: | 3 Comentarios »

Teoría de cuerdas, fluidos perfectos y el plasma de quarks y gluones

Posted by emulenews en 23 Septiembre 2010

El descubrimiento más importante del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Stony Brook, Nueva York, ha sido que un plasma de quarks y gluones (QGP) se comporta como un fluido perfecto. El QGP es el estado de la materia unos 20 microsegundos después de la gran explosión (Big Bang). Todavía no se tiene un buen modelo teórico que explique por qué un QGP en las colisiones de iones de oro en el RHIC se comporta como un fluido perfecto. La hipótesis oficial es que es resultado de efectos no perturbativos en la cromodinámica cuántica (QCD). Este tipo de efectos requieren nuevas herramientas matemáticas y la teoría de cuerdas se ha ofrecido en los últimos años como alternativa factible para tratar de entender el comportamiento no perturbativo de los QGP. Todavía es pronto para saber si la teoría de cuerdas lo logrará, pero los resultados de RHIC, quizás el nuevo resultado de CMS que presentamos en la entrada anterior y los resultados que ALICE (en el LHC) obtendrá a finales de este año requieren nuevas herramientas más allá del análisis perturbativo de la QCD. Nos lo ha contado Jorge Noronha (Univ. Columbia, New York) en su charla ”AdS/CFT Approaches to Problems in Relativistic Heavy Ion Collisions” en el XL International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2010), 21-25 September 2010, Universidad de Amberes, Bélgica, resumen de su reciente artículo técnico Jorge Noronha, Miklos Gyulassy, Giorgio Torrieri, “Conformal Holography of Bulk Elliptic Flow and Heavy Quark Quenching in Relativistic Heavy Ion Collisions,” ArXiv, 13 Sep 2010.

¿Qué es un plasma de quarks y gluones? Los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos están formados por partículas más elementales, llamadas quarks. Éstos están unidos entre sí por la fuerte interacción que es transmitida por unas partículas llamadas gluones. Los quarks no existen en la naturaleza como partículas libres siempre están “confinados” dentro de partículas como los protones, los neutrones y los mesones (llamadas hadrones, la H en el nombre LHC). Un plasma de quarks y gluones es una fase de la materia que existe a temperaturas y/o densidades muy altas que se compone, como su nombre indica, de quarks y gluones ”desconfinados” (ya que cuando los quarks tienen una energía muy alta, la fuerza que los une se debilita). Por ello, en un plasma de quark-gluones (QGP, por sus siglas en inglés) los partones (nombre colectivo para los quarks y gluones) están “casi” libres. 

¿Cómo se produce un plasma de quars y gluones? Gracias a la colisión de núcleos de átomos pesados, como oro (Au) o plomo (Pb), a altas energías (iones relativistas). Estos núcleos contienen un gran número de protones y neutrones que en la colisión generan un QGP con gran número de partones. Es posible, pero no está confirmado, que en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN también se pueda producir un ”pequeño” plasma de quarks y gluones (con más de 100 partones), lo que podría explicar los resultados observados en CMS que comentamos en la entrada anterior. Aún así, casi todo lo que sabemos sobre el QGP se han descubierto en el Colisionador Relavista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.) donde colisionan iones tan pesados como el oro [algunos vídeos youtube a modo de presentación del RHIC]. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN durante los meses de noviembre y diciembre se colisionarán iones tan pesados como el plomo. Estas colisiones serán analizadas por un experimento específico, llamado ALICE (A Large Ion Collider Experiment), y por los dos grandes del LHC, tanto ATLAS como CMS. La energía en el centro de masas en las colisiones Au+Au en el RHIC es de unos 200 GeV (0’2 TeV) y se estima que en las colisiones se alcanzan temperaturas de 4 billones de grados. En el LHC en noviembre próximo se iniciarán colisiones con iones de plomo (Pb+Pb) con una energía c.m. de 2’76 TeV (valor que corresponde a la misma configuración magnética que logra colisiones protón-protón (p+p) a 7 TeV c.m.). A partir de 2013, cuando el LHC empiece con colisiones p+p a 14 TeV, las colisiones Pb+Pb a finales de año alcanzarán 5’52 TeV c.m.

En 2005 se observó en el RHIC que el plasma de quarks y gluones producido por colisiones Au+Au se expandía de forma asimétrica (flujo anisótropo o elíptico), cuando todo el mundo esperaba que lo hiciera de forma simétrica (flujo isótropo o esférico), es decir, el QGP se comportaba como un fluido ideal (o perfecto) en lugar de como un gas ideal. La diferencia entre un gas y un líquido está en que en el primero las partículas están muy separadas entre sí  y se comportan localmente como si estuvieran libres, mientras que en el segundo las partículas están más próximas e interaccionan fuertemente entre sí. Que el QGP sea una fluido perfecto significa que tiene muy poco viscosidad (diez veces menor que la del agua). El acoplamiento fuerte entre los partones indica que hay que tener en cuenta efectos no perturbativos en QCD para entender las propiedades del QGP. Si α es la constante de acomplamiento entre gluones y quarks según la QCD (cuyo valor depende de la energía), los efectos perturbativos son los que se pueden describir como un desarrollo de potencias (o polinómico) en función de α, es decir, como A + α B + α² C + α³ D + ···, un desarrollo válido cuando α es un número pequeño (α(E) es una función decreciente de la energía E). Los efectos no perturbativos son los que no se pueden escribir como desarrollo en serie de potencias, por ejemplo, términos de la forma exp(−1/α) que pueden aparecer a energías a las que α no es un valor pequeño. Los cálculos habituales en QCD que se realizan gracias a los llamados diagramas de Feynman son siempre cálculos perturbativos y se basan en la propiedad de libertad asintótica de la QCD (a distancias pequeñas los quarks y gluones se comportan como si estuvieran libres ya que la fuerza fuerte decrece conforme la distancia se reduce). Cuando no se puede aprovechar esta propiedad, la QCD perturbativa no es aplicable y hay que utilizar teorías efectivas (teorías ad hoc para un problema concreto) o métodos numéricos (QCD en redes o lattice QCD) o nuevas técnicas matemáticas no perturbativas.

Además del flujo anisotrópico (comportamiento como fluido ideal) del QGP en el RHIC se descubrió que la pérdida de energía partónica ojet quenching era más intensa de lo esperado. Tras las colisiones de los iones a velocidades ultrarrelativistas, los productos de la colisión se emiten en forma de dos chorros de partículas (jets) debido a la extrema opacidad del QGP a alta energía. La QCD perturbativa no tiene explicación ni para el flujo anisótropo ni para la pérdida de energía partónica, por lo que se cree que son efectos no perturbativos de la QCD. En la actualidad no sabemos calcular estos efectos, pero ciertos físicos teóricos han propuesto el uso de técnicas “holográficas” de teoría de cuerdas, en concreto de la dualidad gravedad/gauge o AdS/CFT de Maldacena.

El artículo de Noronha y sus colegas afirma que las técnicas holográficas permiten explicar tanto el flujo elíptico (fluido perfecto) como eljet quenching fuerte de los chorros de quarks pesados en los fragmentos resultado de las colisiones Au+Au a 200 GeV en el RHIC. Más aún, realizan predicciones concretas que podrán ser verificadas por el experimento ALICE en el LHC a principios de noviembre (en su charla Noronha afirma cual buen optimista que podrán ser verificadas “el primer día” de colisiones de iones). En concreto, las técnicas AdS/CFT predicen ciertas correlaciones concretas en el contenido de quarks b (bottom) y c (charm) en los chorros tras el jet quenching en las colisiones. La figura de la izquierda muestra la predicción teórica. Los experimentos del RHIC (como STAR) todavía no han sido capaces de mostrar estas correlaciones tan sutiles, pero se cree que ALICE sí será capaz de lograrlo, lo que verificará o refutará esta aplicación de las teorías de cuerdas.

En la línea de los argumentos de Noronha me permito recomendaros la lectura del digest de M. Gyulassy, “Getting to the bottom of the heavy quark jet puzzle,” Physics 2: 107, December 21, 2009, del artículo técnico de Magdalena Djordjevic, “Theoretical formalism of radiative jet energy loss in a finite size dynamical QCD medium,” Phys. Rev. C 80: 064909, December 21, 2009 [ambos artículos son de acceso gratuito]. La imagen final de esta entrada está extraída del digest de Gyulassy. Para mí, el gran problema del enfoque holográfico de la teoría de cuerdas en el contexto del QGP es que la interpretación de los resultados desde el enfoque de la QCD no es trivial. Todavía no está claro cómo interpretar la QCD (4D) como una teoría de cuerdas y por ello las teorías de cuerdas son solo teorías fenomenológicas en este contexto.

En mi modesta opinión, la teoría de cuerdas, gracias a la correspondencia AdS/CFT y el principio holográfico, están protagonizando en estos momentos la tercera revolución de la teoría de cuerdas, la revolución de las aplicaciones: cálculo masivo de diagramas de Feynman en teoría cuántica de campos, cálculos en física de la materia condensadaen física del estado sólidotransiciones de fase cuánticas en líquidos de Fermi,comportamiento de un plasma de quarks y gluones, e incluso en la turbulencia de fluidos clásicos. Como ya dijimos hace unas semanas la teoría de cuerdas está evolucionando de una “teoría de todo” a una “teoría de algo.”

 

PS: Sobre la teoría de cuerdas y los resultados de CMS del LHC os recomiendo la lectura de los comentarios de la entrada de Philip Gibbs, “Quark-Gluon plasma seen in proton collisions – maybe,” viXra log, September 21, 2010.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsPrensa rosaScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

El experimento CMS del LHC en el CERN y nuestra ignorancia sobre la QCD a baja energía

Posted by emulenews en 22 Septiembre 2010

Supongo que ya conocerás la noticia más importante en física de partículas de hoy (21 septiembre), de esta semana y quizás de este mes. Científicos del experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han observado un nuevo fenómeno en las colisiones protón-protón [noticia oficial en español, CPAN]. La figura que abre esta entrada muestra a la izquierda el resultado esperado según las simulaciones de Montecarlo y a la derecha el resultado experimental observado. La flecha apunta al resultado que ha generado la noticia. Una correlación no prevista en las colisiones que producen más de 110 partículas con baja energía intermedia (momento entre 1 y 3 GeV/c). Los expertos aseguran que “representa la primera evidencia de un resultado novedoso” del mayor acelerador de partículas del mundo. He leído varias noticias publicadas en diferentes medios y no aclaran bien el asunto. No sé si te habrá pasado lo mismo. Algunos exageran un poco, como Lubos Motl que ya ve teoría de cuerdas en estas !!! BREAKING NEWS !!! (“LHC: CMS probably sees quark-gluon plasma or dual QCD string or something better,” The Reference Frame, September 21, 2010).

La fuente oficial de la noticia titula “New two-particle correlations observed in the CMS detector at the LHC,” CMS Web, CERN, September 21st 2010, incluye un enlace a el artículo original, que aclara un poco el asunto [The CMS Collaboration, "Observation of Long-Range, Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC," Submitted to Journal of High Energy Physics]. También apunta a la presentación oficial de Guido Tonelli (CERN) [pdf slides] y de Gunther Roland (MIT) [pdf slides], hoy 21 de septiembre en el CERN Joint LPCC/EP/PP Seminar. Aunque los detalles parecen farragosos, el efecto observado  es similar al observado en colisiones de iones pesados que producen un plasma de quarks y gluones en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Brookhaven National Laboratory (EEUU)  [ver en ArXiv]. La figura de abajo, que presenta Guido Tnoelli es bastante clarificadora.

Los cálculos del resultado de una colisión protón-protón en el LHC utilizando la cromodinámica cuántica (QCD) son mucho más complicados conforme el número de partículas en dicha colisión crece. Más aún cuando la energía de la colisión ha de repartirse entre muchas partículas y cada una recibe una energía baja o intermedia. Estudiar el comportamiento de la QCD a baja energía mediante métodos de Montecarlo requiere asumir una serie de hipótesis simplificadoras. Lo que nos ilustra el nuevo resultado de CMS es un posible fallo en estas hipótesis. Habrá que incorporar en los simuladores nuevos efectos asociados a la producción de un plasma de quarks y gluones en este tipo de colisiones protón-protón del LHC. Para estudiar el plasma de quarks y gluones, en el LHC se realizarán colisiones de iones pesados en noviembre y parte de diciembre, que se estudiarán con el detector ALICE y que complementarán los resultados de RHIC. Yo espero que permitan entender mejor estos nuevos resultados observados en CMS. No creo que sea necesario recurrir a física exótica para explicarlos. Aún así, habrá que estar al tanto en los próximos meses a ver cómo evoluciona este interesante asunto.

PS: Recomiendo la lectura de los comentarios de Tommaso Dorigo, “New Physics With CMS ? Huhm,” A Quantum Diaries Survivor, September 22nd 2010, en una línea similar a los míos (pero escritos por un experto en estos asuntos).

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado:, | 6 Comentarios »

Los “átomos” más bellos del mundo

Posted by emulenews en 8 Septiembre 2010

Un mesón está formado por un quark y un antiquark (de carga eléctrica opuesta). Un átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón (de carga eléctrica opuesta). ¿Puede comportarse un mesón como un átomo? Sí, un ejemplo son los “átomos bellos” que son mesones formados por un quark b (belleza) y un antiquark b (antibelleza), el llamado mesón Úpsilon (ϒ), descubierto en 1977, también llamado bottomonium (porque al quark b también se le llama bottom o fondo). Un ”átomo bello” tiene una masa 10 veces mayor que la de un protón pero su tamaño es 100.000 veces menor. La física de un “átomo bello” es muy similar a la de un átomo de hidrógeno, ya que presenta niveles de energía muy parecidos. La figura que abre esta entrada ha sido obtenido por el experimento LHCb del CERN y presenta los estados 1S, 2S y 3S detectados gracias a la desintegración del “átomo bello” en un par de muones. La figura ilustra el resultado y los niveles atómicos correspondientes. Nos lo cuentan en “Beautiful atoms,” LHCb News, 6 September 2010.

En realidad, el bottomonium es más parecido a un positronium (el “átomo” formado por un electrón y un positrón) que al átomo de hidrógeno. Los “átomos” formados por quarks, llamadosquarkonia, solo tienen dos representantes, el charmonium (cc), mesón J/ψ, y el bottomonium (bb), mesón ϒ. Se piensa que el quarkonium correspondiente al quark top no existe, el toponium, pues los quarks top decaen demasiado rápido como para que se puedan llegar a observar sus estados excitados (niveles “atómicos”). Igual que en los átomos, los niveles de energía excitados de los quarkoniums se denominan con las letras S, P, D, F, … Muchos de los niveles “atómicos” del bottomonium todavía no han sido estudiados en detalle (aunque hayan sido descubiertos en experimentos como CDF, DZero, o Belle). En el LHC tanto ATLAS como CMS serán capaces de estudiar los “átomos bellos” pero la estrella será LHCb, un experimento específico que permitirá medir sus propiedades con extrema precisión, la estructura fina e hiperfina de sus niveles energéticos. Los primeros resultados de LHCb sobre el bottomonium son muy prometedores e indican que el año que viene el experimento LHCb podrá competir en pie de igualdad con fábricas de quarks b como BaBar, Belle y CLEO. Además, Atlas y CMS también lo estudiarán y competirán en ello con CDF y DZero del Tevatrón.

¿Por qué la física de los “átomos bellos” debe ser estudiada en detalle? La predicción teórica gracias a la QCD y a teoría efectivas de las propiedades del bottomonium presenta grandes dificultades y en la actualidad se observan ciertas desviaciones entre la teoría y el experimento, con certezas entre 2 y 3 sigma. La mayoría de los expertos creen que no son señales de nueva física más allá del modelo estándar. Hay que atacar estas desviaciones desde dos frentes, por un lado, reduciendo las incertidumbres teóricas, y por otro, obteniendo datos experimentales aún más precisos, así como los valores de ciertos parámetros que aún no han sido obtenidos. Además, la física del bottomonium también oculta fuentes de violación de la simetría CP en el modelo estándar que han de ser estudiadas con mucho detalle. El experimento LHCb del CERN tendrá mucho que aportar a estos estudios. Abajo un vídeo de youtube presentando al LHCb para los que no lo conozcan.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNPhysicsScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

Un juez de Hawai desestima la demanda contra el LHC del CERN: no destruirá el mundo

Posted by emulenews en 27 Agosto 2010

Dos científicos, el estadounidense Walter L. Wagner y el español Luis Sancho denunciaron hace 2 años al Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), que gestiona el LHC, y al Gobierno de Estados Unidos, que aporta financiación. Opinan que hay un 75% de probabilidades de que el LHC del CERN destruya el mundo. El juez de Hawai encargado del caso ha tomado la decisión el 24 de agosto: se desestima el caso. Walter, Luis, lo sentimos, el LHC del CERN podrá seguir funcionando sin mayores problemas. Los interesados en leer la sentencia del juez (en inglés jurídico) pueden descargarse el PDF. Visto en David Harris, “LHC lawsuit dismissed by US court,” Symmetry Breaking, August 26, 2010.

Publicado en CienciaGeneralLHC - CERNNoticiasPrensa rosaScience | Etiquetado: | 3 Comentarios »

Cómo buscar la supersimetría debajo de la farola del LHC

Posted by emulenews en 27 Agosto 2010

How to look for supersymmetry under the lamppost at the LHC” es el curioso título de un interesante artículo de Partha Konar, Konstantin T. Matchev, Myeonghun Park y Gaurab K. Sarangi [ArXiv, 14 Aug 2010]. Me he enterado de su existencia gracias a la charla de hoy de Konstantin Matchev, “BSM Theory,” HCP 2010, Toronto, August 26, 2010. Tras casi 40 años de investigación en supersimetría todavía no hay un único modelo teórico aceptado por todos. El modelo supersimétrico mínimo (MSSM) requiere determinar al menos las masas de 9 superpartículas, que en la figura se denotan por QUDLEHBWG. ¿En qué orden (jerarquía de masas) aparecerán estas partículas? Hay 9! = 362.880 ordenaciones posibles (por ejemplo, GQUDHLWEB). Estudiarlas todas es imposible, pero las señales de supersimetría en el LHC corresponderán a una de estas ordenaciones. Matchev y sus colegas nos proponen sesgar este conjunto de posibilidades enfatizando la capacidad del LHC para encontrar dichas superpartículas (como el borracho que ha perdido las llaves y las buscas justo donde la farola ilumina la calle). Asumiendo que la teoría correcta es mSUGRA, el resultado son 47 posibles jerarquías de masas. Estudiar cada una de ellas y sus consecuencias fenomenológicas (señales que se podrían observar en el LHC) no parece difícil pero es un trabajo de chinos. Ello no quita que haya emprenderlo. Un reto para teóricos, experimentales y especialistas en métodos de Montecarlo (fenomenologistas) que nos lanzan Matchev y sus colegas.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

Algunos resultados del LHC del CERN y del Tevatrón del Fermilab presentados en el congreso HCP2010 en Toronto

Posted by emulenews en 26 Agosto 2010

He de confesar que en julio estaba emocionado e impaciente, como un niño con un juguete nuevo, esperando el inicio de la conferencia ICHEP 2010. Quería disfrutar de los resultados más recientes del LHC (Large Hadron Collider) en el CERN y del Tevatrón en el Fermilab. Quería ver los primeros eventos de quark top en EuropaQuería conocer los nuevos límites de exclusión para la masa del Higgs. Y el ICHEP 2010 no me decepcionó, fue un congreso espectacular que pudimos disfrutar en directo gracias al videostreaming. Un congreso cuya estrella indiscutible eran los primeros resultados del LHC, que solo había acumulado unos 350/nb (inversos de nanobarn) de colisiones a 7 TeV c.m., aunque se habían analizado (depende del estudio) solo unos 250/nb. Era emocionante lo rápido que se estaban analizando los primeros datos de LHC, cómo se estaba reconstruyendo el modelo estándar, paso a paso, pero con pasos firmes. Pero el ICHEP 2010 no es el único congreso de fenomenología en física de partículas de este verano. Esta semana se está celebrando en Toronto el congreso HCP2010 (Hadron Collider Physics Symposium), August 23-27, 2010, University of Toronto, Canadá. No están emitiendo las charlas por vídeo, pero las transparencias (pdf o ppt) se pueden descargar en la página del programa (al menos de las charlas que ya han tenido lugar). Los resultados que se están presentando son espectaculares, pero destacan sin lugar a dudas los resultados de los detectores CMS y ATLAS del LHC, que ya ha recabado unos 2200/nb (2’2/pb) de datos (la mayor parte de estos datos se recogieron la semana pasada, desde que usan 49 paquetes de protones por haz en el LHC). Los análisis de datos presentados en el congreso utilizan entre 840/nb y 1100/nb. Lo curioso es que pocos blogs de física se han hecho eco de estos resultados, que yo sepa, salvo Philip Gibbs, “New results from the LHC at Toronto,” ViXra log, August 24, 2010, que se limitó a presentar algunas figuras seleccionadas de las transparencias del primer día del congreso.

Para los curiosos que quieran adentrarse en el HCP2010 yo recomendaría empezar por losresultados sobre el quark top presentados ayer: Frank-Peter Schilling, “First Top Results (CMS),” ppt slides (resultados con 840/nb de datos) y Giorgio Cortiana, “First Top Results (ATLAS),” pdf slides (resultados con solo 295/nb, similares a los del ICHEP). Como muy bien nos dice Giorgio en su charla, el detector ATLAS del LHC ya ha observado un número de quarks top similar a los que había observado el detector CDF del Tevatrón cuando publicó su famoso artículo de 1994 en el presentaba la primera evidencia del top con 19/pb (inversos de picobarn) de colisiones a 1’8 TeV c.m.; además, el verano próximo el LHC habrá observado más quarks top que el Tevatrón en sus 16 años de historia. El objetivo de los físicos del CERN es adquirir una experiencia en el manejo e interpretación de los datos LHC del CERN similar a la que han adquirido los del Tevatrón en los últimos 16 años, pero quieren hacerlo en solo un par de años.

 

También son interesantes las charlas sobre el quark top de los físicos del Tevatrón: Christian Schwanenberger, “Top Quark Production at the Tevatron,” y Tom Schwartz, “Measuring Top Quark Properties at the Tevatron,” así como la charla teórica de Rikkert Frederix, “Top Quark Physics. A theoretical overview.” La charla de Tom nos recuerda la desviación a 3 sigma entre los datos del Tevatrón y el modelo estándar en un parámetro técnico llamado AFB (forward-backward asymmetry) que indica que los quarks tops se emiten con preferencia en la misma dirección de los quarks incidentes que los produjeron en el proceso qq→tt (porque son muy pesados). Obviamente hay cierta asimetría, pero el modelo estándar predice un valor más pequeño que el observado en los experimentos, tanto CDF como DZero. Puede ser una mera fluctuación estadística o puede que sea una indicación de física más allá del modelo estándar. Los interesados en más detalles técnicos pueden recurrir, por ejemplo, The CDF Collaboration, “Measurement of the Inclusive Forward-Backward Asymmetry and its Rapidity Dependence Afb(Δy) in tt Production in 5.3 fb−1 of Tevatron Data,” CDF/ANAL/TOP/PUBLIC/10224 Version 1.0, July 14, 2010. También nos destaca la evidencia a 2 sigma para un quark top-prima (de cuarta generación). La charla de Christian también está bien y destaca que el Tevatrón fue diseñado para obtener alcanzar una precisión del 10% en la masa y parámetros del quark top, pero ya ha logrado alcanzar un 6%.

La charla de Rikkert es bastante refrescante y nos recuerda muchas cosas que son obvias pero que muchas veces olvidamos cuando hablamos del quark más pesado. Nos recuerda que medir la masa del quark top tiene un problema intrínseco, qué masa del top se está midiendo. El quark top no puede ser observado como una partícula aislada (o libre), ningún quark puede ser observado de esta forma. Por ello hay una incertidumbre teórica intrínseca en la medida de sus parámetros. Más aún, la masa depende de la energía y no podemos medir directamente la masa en reposo de un partícula. Rikkert también discute el parámetro AFB y afirma que la incertidumbre teórica reduce la diferencia entre el modelo estándar y los experimentos no sea mayor de 2 sigma (no 3 sigma como afirman las otras dos charlas). Finaliza su charla tratando las posibilidades de física más allá del modelo estándar asociada al quark top.

Por supuesto, los curiosos que quieran adentrarse en el HCP2010 preferirán quizás empezar por la física del bosón de Higgs. Se está buscando el Higgs en el LHC, pero todavía es pronto para que pueda competir con el Tevatrón, así que Malachi Schram, “ATLAS Higgs Sensitivity for 1/fb at the LHC at 7 TeV,” y Matteo Sani, “Prospects for Higgs Boson Searches with CMS,” se limitan a recordarnos cuales son las expectativas teóricas para finales de 2011 tanto en ATLAS como en CMS, respectivamente. Malachi nos recuerda que el LHC podrá competir con el Tevatrón en cuanto a los límites de exclusión del Higgs para finales de 2011 cuando alcance 1/fb (inverso de femtobarn) de colisiones (a finales de 2010 se espera que logre 0’1/fb y ahora mismo ya ha acumulado unos 0’012/fb). ATLAS excluirá el solo un Higgs en el rango de masas de 145-180 GeV/c² con 1/fb de datos. ATLAS es más sensible que el Tevatrón para Higgs con masa mayor de 200 GeV/c² (canal de desintegración H➞ZZ) y para Higgs de baja masa (110-140 GeV/c²) gracias al canal de desintegración H➞γγ, aún así no logrará excluir un Higgs con dichas masas solo con 1/fb de datos. Malachi también nos habla de la exclusión de Higgs cargados (como los supersimétricos) en el rango de 90-150 Gev/c². Sani nos habla en términos muy similares pero desde la visión del detector CMS del LHC. Hasta que se hayan acumulado unos 0’25/fb de datos (antes del verano de 2011) no se puede hacer física del bosón de Higgs con CMS, aún se espera que pueda excluir una masa del Higgs en el rando 145-190 GeV/c² con 1/fb de datos.

En la búsqueda del Higgs quienes se llevan la palma ahora mismo son los dos experimentos del Tevatrón, tanto para un Higgs de baja masa (menor de 150 GeV), Justin Keung, “Low Mass SM Higgs Limits at The Tevatron,” como para uno de “alta” masa (mayor de 150 GeV y menor de 200 GeV),  Björn Penning, “High Mass Higgs Boson Searches at the Tevatron,” ambos han hablado en nombre de las dos colaboraciones CDF y DØ del Tevatrón. Ninguna de las dos charlas nos ofrece datos nuevos respecto a los ya publicados en el ICHEP en julio, sin embargo, aunque conocidos por quien esto escribe, siempre está bien recordarlos por si alguien no los conoce aún (ver por ejemplo los tres eventos candidatos a Higgs del CDF II en la charla de Justin o un evento candidato a Higgs del DZero en la de Björn). Finalmente, las charlas de Tim Scanlon, “Beyond the Standard Model Higgs Searches at the Tevatron” y Jay Wacker, “SM & BSM Higgs” sobre las búsquedas de un Higgs más allá del modelo estándar. Tim nos recuerda las búsquedas de bosones de Higgs supersimétricos, tanto en el MSSM como en el NMSSM, incluyendo, como curiosidad, un evento candidato en este último caso que yo no conocía. Jay empieza recordando por qué el Higgs es importante y continua con las búsquedas de Higgs muy pesados (que Tim no ha considerado en su charla), Higgs que será necesario tener en cuenta si el Tevatrón y el LHC no encuentran al bosón de Higgs con una masa por debajo de los 200 GeV/c². Lo que estas charlas nos recuerdan es que se están realizando búsquedas del Higgs de forma sistemática y con rigor y no se está descartando ninguna posibilidad. Algo en lo que todos confiamos y algo de lo que todos nos alegramos.

Publicado en Bosón de HiggsCienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsPrensa rosa,Science | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

Cuántos bosones de Higgs produce el LHC del CERN por cada uno producido en el Tevatrón del Fermilab

Posted by emulenews en 21 Agosto 2010

 

Todavía no se ha descubierto el bosón de Higgs, pero el Modelo Estándar de las partículas elementales permite predecir cuántos bosones de Higgs se producen por segundo en las colisiones protón-antiprotón a 1’96 TeV c.m. en el Tevatrón del Fermilab, Chicago, y en las protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN, Ginebra. La figura de arriba muestra el resultado de los cálculos teóricos más precisos hasta ahora (resummed NNNLL). Para un bosón de Higgs con una masa de 115 GeV/c² el LHC a 7, 10 y 14 TeV c.m. produce 15, 28 y 48 veces más bosones de Higgs por segundo que el Tevatrón y para un bosón de Higgs con 200 GeV/c² el LHC a 7, 10 y 14 TeV c.m. produce 28, 58 y 109 veces más bosones de Higgs por segundo que el Tevatrón. Estos números se han calculado a partir de la sección eficaz (cross section) para la producción del Higgs del Modelo Estándar gracias a simulaciones de Montecarlo. La figura se ha obtenido a partir de la tabla 1 del artículo técnico de Valentin Ahrens, Thomas Becher, Matthias Neubert, Li Lin Yang, “Updated Predictions for Higgs Production at the Tevatron and the LHC,” ArXiv, 18 Aug 2010, quienes han usado para los quarks y gluones en cada protón y antiprotón las distribuciones de probabilidad MSTW2008NNLO, así como una masa para los quarks top y bottom de 173’1 GeV/c² y 4’2 GeV/c², y para la del bosón vectorial Z de 91’1876 GeV/c².  Más detalles técnicos en el propio artículo. Las secciones eficaces de producción del Higgs en función de la masa para el Tevatrón y el LHC a 7 TeV c.m. aparecen en la figura de abajo (extraída de dicho artículo).

Publicado en Bosón de HiggsCienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

Preguntas y respuestas sobre la cuarta generación de partículas en el modelo estándar (SM4)

Posted by emulenews en 10 Agosto 2010

“The Standard Model of Particle Physics” film produced as CERN/ATLAS multimedia contest internship.

Una apuesta entre T. Dorigo y L. Motl sobre cuál será el primer descubrimiento del LHC del CERN trae a colación la cuarta generación de partículas en el modelo estándar. La apuesta de Dorigo. Motl apuesta por la supersimetría. Motl tiene todas las de perder, salvo que no exista la cuarta generación, ya que las señales de la supersimetría son mucho más difíciles de observar en el LHC y requerirá encontrar varias partículas. Por el contrario la señal de un par quarks de cuarta generación es muy clara (si es que existen, claro). No me gusta apostar, pero como excusa bien vale una apuesta. La entrada de Tommaso Dorigo es ”My Bet? A Fourth Generation Quark,” A Quantum Diaries Survivor, August 4th 2010, cuya lectura debería ser acompañada de otras tres de su blog: “Thou shalt have three generations,” March 25, 2008; “Four Things About Four Generations,” May 2nd 2009; y “The 450-GeV Quark That Wouldn’t Go Away,” May 6th 2010. Todos estos artículos apuntan a B.Holdom, W.S.Hou, T.Hurth, M.L.Mangano, S.Sultansoy, G. Unel, “Four Statements about the Fourth Generation,” PMC Phys. A3: 4,2009 (open access) [también en ArXiv], un resumen del workshop “Beyond the 3-generation SM in the LHC era” que se centró en la a discusión sobre la posibilidad de encontrar una cuarta generación de partículas en el LHC: (1) los tests de precisión de la teoría electrodébil no la excluyen; (2)resuelve ciertos problemas del modelo estándar; (3) apunta hacia nueva física; y (4) el LHC del CERN podría descubrirla en los próximos años. Si Holdom et al. tienen razón, la apuesta de Tommaso es sobre seguro.

¿Cuántas generaciones de partículas existen? El modelo estándar no predice el número de generaciones de fermiones (quarks y leptones). Hoy conocemos tres generaciones, pero podrían existir más. Una cuarta generación dentro del modelo estándar estaría formada por dos quarks pesados t' y b' y dos leptones pesados tau' y nu'_tau. Cualquier otra opción implicaría física más allá del modelo estándar. En este caso SM4 sustituiría a SM3, como SM3 sustituyó a SM2 en los 1970.

¿Podría haber infinitas generaciones de partículas? No, no pueden ser infinitas. El modelo estándar no lo permite. Una propiedad clave de la cromodinámica cuántica (QCD), llamada libertad asintótica, que ha sido demostrada experimentalmente, limita el número posible de generaciones de partículas a 9.

¿No demostró LEP2 que había solo 3 generaciones? El acelerador de partículas extinto LEP2 del CERN encontró que las propiedades del bosón vectorial Z indican la existencia de solo 3 generaciones de neutrinos (sin masa). Hoy sabemos que los neutrinos tienen masa por lo que LEP2 solo limita la existencia de neutrinos muy ligeros. Podrían existir neutrinos pesados compatibles con los datos obtenidos por LEP2. El acelerador Tevatrón del Fermilab no ha encontrado la cuarta generación, pero con colisiones a 2 TeV en el centro de masas (c.m.) no puede explorar energías mayores a 1/3 TeV. El LHC del CERN con colisiones a 7 TeV c.m. podría encontrar antes de diciembre de 2011 pruebas de la existencia de quarks de cuarta generación si existen y tienen una masa menor de 1 TeV. En 2012 el LHC será parado para mejorar sus sistemas de seguridad y prepararlo para colisiones a 14 TeV c.m., que le permitirán explorar energías hasta 2’3 TeV.

¿Cuáles son los límites de exclusión actuales para la masa de la cuarta generación?Según el Particle Data Group 2009 las masas de los quarks, con un 95% C.L., son m_{t'} > 256;hbox{GeV} y m_{b'} > 128;hbox{GeV}, y las masas de los leptones pesados son m_{tau'} > 100.8;hbox{GeV} y m_{nu'_tau} > 80.5;hbox{GeV}. Estos son los límites inferiores seguros (hay límites más altos bajo ciertas hipótesis razonables). Además, estos límites han sido mejorados por el Tevatrón (aunque solo para ciertos modos de desintegración), en concreto por CDF como m_{t'} > 335;hbox{GeV} y m_{b'} > 388;hbox{GeV}. Más aún, una revisión de los datos de LEPindica que solo acotan m_{nu'_tau} > 60.1;hbox{GeV}.

¿Cuáles son los límites de exclusión que se espera obtener del LHC? A corto plazo, utilizando las colisiones a 7 TeV c.m. hasta finales de 2011 se espera que el experimento CMS en el LHC del CERN sea capaz de excluir, como mínimo, m_{t'} > 500;hbox{GeV} y m_{b'} > 500;hbox{GeV}.

 ¿Excluyen los tests de precisión del modelo estándar SM3 la existencia de una cuarta generación? No, aunque algunos han afirmado que sí. El valor de un parámetro técnico (no entraré en detalles) llamado parámetro oblicuo S excluye una cuarta generación con un intervalo de confianza de 6 sigma (es decir, fuera de toda duda). Aún así hay que tomar este resultado con alfileres ya que si se tienen en cuenta los tres parámetros oblicuos S, T y U hay hueco para una cuarta generación si se reajustan todos de forma adecuada (el reajuste depende de si m_{t'} > m_{b'} y/o m_{nu'_tau} < m_{tau'}, de si los neutrinos son partículas de Dirac o Majorana y de la masa que tenga el bosón de Higgs). La precisión del ajuste del resto de los parámetros del SM3 no se vería afectada por estos cambios, por lo que el SM4 es compatible con los tests de precisión del SM3.

¿Permite la matriz CKM la inclusión de una cuarta generación? La matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa es una matriz 3×3 que indica cómo se mezclan (oscilan) los quarks down en el modelo estándar (d, s y b). Esta osciilación es similar a la de los neutrinos con masa, aunque los quarks no pueden ser observados como partículas libres. La medida más precisa de la primera fila de la matriz nos da vert V_{ud}vert^2 + vert V_{us}vert^2 + vert V_{ub}vert^2 = 0.9999 pm 0.0011. Aparentemente queda poco hueco para una cuarta generación. Pero igualando dicho número a 1 - vert V_{ub'}vert^2, se obtiene vert V_{ub'}vert < 0.04 (de forma similar se obtienen vert V_{t'd}vert < 0.04 y vert V_{cd'}vert < 0.2). ¿Con qué comparar este número? Con el mejor límite actual para vert V_{ub}vert sim 0.004. La segunda y la tercera fila de la matriz dan más juego aún ya que sus valores son más imprecisos.

¿Qué tiene que ver con la asimetría materia-antimateria? La tercera generación de partículas fue una predicción del modelo estándar de Kobayashi y Maskawa (Premio Nobel por ello). La asimetría materia-antimateria en los primeros instantes de la gran explosión se puede explicar gracias a la violación de la simetría CP en el modelo estándar. Dos generaciones de partículas no permiten obtener suficiente violación CP. Kobayashi y Maskawa predijeron que si existiera una tercera generación la violación CP sería mucho mayor y explicaría la asimetría materia-antimateria gracias a las condiciones de Sakharov. Hoy sabemos que la violación CP de la tercera generación no es suficiente (unos 10 órdenes de magnitud más pequeña de lo necesario). Una cuarta generación de partículas añadiría más violación CP en el modelo estándar, en teoría entre 13 y 15 órdenes de magnitud (los teóricos siempre son optimistas). La idea que llevó desde la matriz de Cabbibo de 2×2 a la matriz de Kobayashi-Maskawa de 3×3 puede ser reiterada y nos lleva a una matriz CKM de 4×4. ¿Se repetirá la historia? No hay que olvidar que en 1974 solo se conocían 3 quarks de las dos primeras generaciones. El cuarto quark (charm o c) se descubrió en la “revolución de noviembre de 1974.” La tercera generación (descubrimiento del quark bottom y del leptón tau) tuvo que esperar a 1977 (el último quark, top, se descubrió en 1995).

¿Ayudaría una cuarta generación a la búsqueda del bosón de Higgs? Como ya se ha dicho en este blog, una propuesta muy interesante para explicar por qué no se ha encontrado el bosón de Higgs aún es porque es una partícula compuesta de dos fermiones pesados, que bien podrían ser un quark y un antiquark de cuarta generación. En lugar de una ruptura espontánea de la simetría electrodébil, el modelo estándar utilizaría una ruptura dinámica, lo que desde el punto de vista conceptual es preferible ya que ofrece una explicación a por qué las partículas elementales adquieren masa.

¿Cómo afecta la cuarta generación al problema de la materia oscura? La cuarta generación de partículas correspondería a materia bariónica y por tanto no daría cuenta de la materia oscura (la evidencia apunta a materia oscura fría no bariónica). Sin embargo, si los dos leptones pesados de la 4ª generación (tau' y nu'_tau) fueran muy masivos podrían dar cuenta de la materia oscura fría sin mayor problema.

¿Podría descubrir el LHC que no existe la cuarta generación? Sí, podría descubrirla pero también refutarla. El ajuste actual de ciertos parámetros de precisión del modelo estándar no permiten que una cuarta generación de quarks tenga una masa arbitraria. El límite máximo para su masa es del orden de 1 TeV (la región que el LHC explorará con mucha precisión). Si el LHC no encuentra una cuarta generación es que no existe una cuarta generación y el modelo SM4 no es la respueta correcta.

En resumen, no se puede descartar que lo primero que descubra el LHC sea la cuarta generación de partículas, como tampoco se puede descartar que demuestre que en realidad dicha generación no existe. En mi opinión, la primera opción es más razonable que la segunda. Pero la segunda es mucho más interesante para los físicos teóricos interesados en física exótica. La física exótica ya sabe, o dentro de unas décadas forma parte del nuevo modelo estándar, o dentro de unas décadas estará en el cubo de la basura de las ideas que nunca llegaron a cuajar. La historia es la mejor consejera. Puede parecer que el camino hacia el modelo estándar fue un camino de rosas, pero no fue así y hay cientos de ideas de miles de físicos teóricos que están en el cubo de la basura desde de 1979 porque el modelo estándar mínimo les dio el tiro de gracia.

También en este blog: ”La cuarta generación de quarks y leptones y el bosón de Higgs,” 19 Marzo 2010; ”Sheldon Lee Glashow y el tortuoso camino hacia el modelo estándar de la física de partículas elementales,” 13 Diciembre 2009; y “La última década en la física teórica de partículas elementales,” 3 Abril 2010.

Publicado en Bosón de HiggsCienciaFísicaLHC - CERNMateria oscuraPhysics,Prensa rosaScience | Etiquetado:  | 1 comentario

Este fin de semana se ha obtenido un nuevo récord de luminosidad en el LHC del CERN que avanza viento en popa

Posted by emulenews en 9 Agosto 2010

Este fin de semana (7-8 de agosto) el LHC del CERN ha logrado un nuevo récord de luminosidad pico (número de colisiones por segundo). Ya permite que cada haz contenga 25 paquetes de protones y el objetivo óptimo este año es alcanzar 750 (384 según un artículo en ICHEP 2010) paquetes por haz. En marzo del año próximo el LHC debería alcanzar 796 paquetes de protones por haz para garantizar que a finales de año se cumplan todos los objetivos plenamente. El LHC del CERN avanza viento en popa y a toda marcha. ¡Enhorabuena a todos los que trabajan en el CERN! Para los aficionados a números más técnicos os indicaré que el récord alcanzado este fin de semana ha sido una luminosidad pico o instantánea equivalente a 0’13 /fb/año (inversos de femtobarn al año). Para lograr el objetivo del LHC para el próximo año (2011), que es obtener 1/fb de colisiones acumuladas, se deberá lograr este año una luminosidad pico mantenida de unos 0’13/fb/mes (en LHC funcionará entre febrero y octubre, unos 8 meses). Este año el LHC funcionará hasta octubre (en colisiones protón-protón, después colisionará durante un mes iones pesados). Nadie duda que el LHC logrará alcanzar en los próximos 3 meses una luminosidad pico 12 veces mayor que la actual. Ya ha logrado incrementos mayores en sus primeros cuatro meses y el LHC está funcionando mejor de lo esperado. Este fin de semana también hay que celebrar que el LHC ha logrado acumular un número total de colisiones de 1/pb, 1000 veces menos que lo que tendrá que lograr el año que viene (ATLAS y CMS alcanzarán este número esta semana en curso). Buenas noticias para todos los que seguimos al LHC. Nos lo han contado en todos los foros que siguen al LHC. La figura que abre esta entrada también ha sido elegida por Philip Gibbs para comentar esta noticia en ”Another record luminosity at LHC,” viXra log, August 7, 2010.

Y ya que estamos hablando del LHC, un colisionador de hadrones, no me resisto a poneros la siguiente ilustración de la diferencia entre una colisión entre dos hadrones (protones o antiprotones) y dos leptones (electrones o muones). En una colisión protón-protón a 7 TeV colisionan unas 50 partículas contra otras 50 partículas en dada protón. Además, cada haz lleva paquetes de muchos protones. El resultado es que las colisiones son bastante “sucias” comparadas con lo que sería una colisión “limpia” entre dos leptones, en la que solo colisionan una partícula contra otra.

Aquí tenéis una representación clásica de un protón. Un saco de tres quarks de valencia (las bolas azules solitarias) junto a muchos gluones (líneas a garabatos) y pares quark-antiquark (pares de bolas azul-verde). Un protón es un objeto muy complicado. En las colisiones en el LHC del CERN entre dos protones lo que en realidad se observan son colisiones quark contra quark, quark contra antiquark, gluón contra quark, y gluón contra gluón. Los diagramas de Feynman de esta figura ilustran todas estas posibilidades.

Ya lo hemos contado en varias ocasiones en este blog, pero a veces hay que repetirlo. ¿Cómo se mide el número de colisiones por segundo en un colisionador? Yo he utilizado las unidades 1/fb y 1/pb ¿qué significan? La probabilidad para un modo de colisión/desintegración entre partículas se denomina sección eficaz. La sección eficaz es un área o superficie y se suele medir en barn. Un barn es, más o menos el área transversal de un núcleo de uranio, en concreto 10-28 m². La luminosidad es el número de partículas por unidad de superficie y por unidad de tiempo en un haz (de partículas). ¿Unidad de superficie? Sí, porque en los detectores se mide un flujo incidente, un número de partículas por unidad de tiempo que incide en una unidad de área de detector. La luminosidad instantánea es la luminosidad pico y se mide unidades inversas de sección eficaz por unidad de tiempo. Por tanto, 1/fb/año es un inverso de femtobarn por año. La luminosidad integrada o acumulada es la integral (suma) de la luminosidad instantánea y se mide en unidades inversas de sección eficaz. Por tanto, 1/fb de colisiones se obtiene tras 1 año de colisiones a 1/fb/año, donde 1 pb (picobarn) = 10-12 barn, 1 nb (naoobarn) = 10-9 barn, y 1 fb (femtobarn) = 10-12 barn. Aproximadamente, en el LHC 0’1/fb son mil millones de colisiones. El objetivo para el LHC durante el bienio 2010-2011 es obtener unos diez mil millones de colisiones protón-protón con una energía en el centro de masas de 7 TeV (teraelectrónvoltio).

PS: Los dos detectores principales del LHC, tanto ATLAS como CMS, ya tienen un inverso de picobarn de colisiones almacenadas en disco. Pronto empezaremos a leer resultados interesantes de estos datos. Como nos recuerdan en ”His First Inverse Picobarn,” Resonaances, 9 August 2010, un 1/pb en el LHC a 7 TeV c.m. equivale a producir (que no es lo mismo que detectar) 200000 bosones W, 60000 bosones Z, 1000 pares de quarks top, y entre 10-20 bosones de Higgs bosons (para una masa de unos 120 GeV/c²).

PS: Muy buena entrada sobre el estado actual y el futuro cercano del LHC en Philip Gibbs, “LHC Progress and Plans for August and Beyond,” viXra log, August 9, 2010. Agosto será un mes crítico (la energía en los imanes ronda el millón de julios y valor “peligroso” para la máquina). Este mes se dedicará entero a colisiones y a aprender a manejar la máquina a 25 paquetes de protones por haz. Se espera que en agosto se obtenga un segundo inverso de picobarn de colisiones. Buenas noticias para los que buscan nueva física escondidado en los datos del LHC.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsPrensa rosaScience | Etiquetado:  | 4 Comentarios »

El significado de la física más allá del modelo estándar mínimo

Posted by emulenews en 31 Julio 2010

El modelo estándar mínimo resume todo nuestro conocimiento actual sobre la física de partículas elementales. Cuando se loan sus virtudes se alude a que está basado en la simetría, la belleza de las simetrías locales de aforo (gauge) descritas con la matemática de la teoría de grupos continuos. El modelo estándar se resume en el producto de grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Una descripción engañosa que oculta toda la complejidad de la teoría (quiralidad, generaciones de partículas, ruptura espontánea de la simetría, etc.). No entraré en dichos detalles, solo quiero recalcar que el modelo estándar mínimo es eso, mínimo, pues puede ser ampliado fácilmente. Ahora bien, ampliarlo requiere la guía de los experimentos. La belleza en sí misma no es una guía.

El ejemplo más conocido es la masa de los neutrinos. Todavía no sabemos cual es la forma correcta de incorporar la masa de los neutrinos en el modelo estándar mínimo, porque hay varias posibilidades que dependen de las propiedades que tengan los neutrinos. Por ejemplo, no sabemos aún si los neutrinos son partículas de Dirac (neutrino y antineutrino son partículas diferentes) o de Majorana (son la misma partícula). Sea cual sea la respuesta correcta, la teoría para ampliar el modelo estándar ya está desarrollada y el modelo seguirá siendo una teoría de aforo de tipo SU(3)×SU(2)×U(1), ocultando que la inclusión de la masa de los neutrinos requiere importantes cambios en la teoría y la adición de nuevos parámetros. Se ha avanzado mucho en el conocimiento de la física de los neutrinos en la última década, pero todavía los experimentos no han ofrecido respuestas definitivas sobre la manera correcta de incorporar su masa en el modelo estándar mínimo.

El descubrimiento de nuevas partículas en el LHC del CERN implica física más allá del modelo estándar mínimo pero no implica que haya que cambiar los grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1) en los que se basa. Se conocen tres generaciones de quarks, (u,d), (c,s) y (t,b). Podría existir una cuarta generación de quarks (t’,b’) cuya incorporación no cambiaría la simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Según el experimento CDF del Tevatrón con 4’6/fb de colisiones, la masa del quark t’ es mayor que 335 GeV/c² y la masa del quark b’ es mayor que 385 GeV/c² (ambos al 95% CL). Con estos límites para la masa de estos quarks de cuarta generación podrían ser detectados en el LHC del CERN el próximo año (si existen).

Nuevos grupos de simetría tendrían que ser incorporados en el modelo estándar mínimo si se descubriesen nuevos bosones vectoriales intermedios. El descubrimiento de un Z’ (Z-prima) requeriría añadir un nuevo grupo U(1) resultando en SU(3)×SU(2)×U(1)×U(1) y el de nuevos W’± el añadir un nuevo grupo SU(2) resultando en SU(3)×SU(2)×SU(2)×U(1). Las búsquedas experimentales de estos bosones vectoriales y los tests de precisión para el modelo estándar indican que tienen una masa mayor de 1 TeV/c² (aunque depende de la búsqueda concreta considerada).

Hay muchos modelos teóricos más allá del modelo estándar que predicen nuevos bosones vectoriales o una cuarta generación de quarks y que implican cambios mucho mayores en el modelo estándar, pero la historia nos dice que el descubrimiento de un nueva partícula es incorporada en el modelo estándar de la forma más sencilla posible, la que aporte el mínimo posible de nuevos parámetros, siempre que sea posible hacerlo de forma compatible con los datos experimentales. Una de las grandes ventajas de que el modelo estándar sea una teoría renormalizable es su facilidad para ser ampliado con un mínimo de cambios.

Por supuesto, la física más allá del modelo estándar también puede implicar otras posibilidades más exóticas, como un grupo de simetría más grande, la idea de las teorías de gran unificación (GUT). La GUT más sencilla, SU(5) ya ha sido descartada, pues implica la desintegración del protón con una vida media (estirando mucho todos los parámetros) menor de 10³³ años y experimentos como SuperKamiokande han demostrado que su vida media es mayor de 7×10³³ años (hay que recordar que se cree que el universo tiene una edad de 13’7 mil millones de años). Aún así, hoy en día no podemos descartar teorías GUT basadas en los grupos de simetría SO(10) y E6. Pero estos grupos añaden demasiadas nuevas partículas aún por descubrir.

En mi opinión, el avance del modelo estándar será paso a paso, partícula a partícula, con pequeñas correcciones o adiciones al modelo estándar hasta que lo hagan tan engorroso (algunos opinan que ya lo es) como para que merezca la pena un cambio radical de paradigma. Incluso el descubrimiento de una o dos partículas (aparentemente) supersimétricas no significará la reinvidicación de la supersimetría como substituta del modelo estándar. Se necesitarán muchos años para que la mayoría de los físicos teóricos se convenzan definitivamente y cambien los libros de texto.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNPhysicsScience | Etiquetado: ,, | 3 Comentarios »

Comunicado oficial del detector CMS en el LHC del CERN y su espectro de dimuones

Posted by emulenews en 31 Julio 2010

El “Comunicado de CMS para la conferencia ICHEP 2010 en París,” Ginebra, 26 de julio de 2010, ha sido publicado en diez idiomas, entre ellos, en español. Os recomiendo su lectura. Permitidme unos extractos. 

“Desde el comienzo de las colisiones a 7 TeV hace unos escasos meses (30 de marzo de 2010), nuestros equipos han operado el detector y seleccionado las mejores colisiones con una gran eficiencia; (ellos) han distribuído los datos a los grupos de análisis, esparcidos por todo el mundo y los datos han sido analizados para producir sólidos resultados con increíble velocidad. Ver estos primeros resultados me hace sentir un gran orgullo. El progreso hasta ahora ha superado las expectativas, pero el futuro nos depara nuevos desafíos a medida que dispongamos de haces con mayor intensidad y busquemos procesos aún más raros. Esto es sólo el principio.” Palabras del portavoz de CMS, Guido Tonelli.

“Para comienzos de 2011 la cantidad de datos acumulados se espera que aumente 100 veces. Llegado ese punto, CMS comenzará a seriamente resolver muchas cuestiones importantes sobre la estructura del universo a las distancias más pequeñas y escalas de energía más altas. [Esta] investigación no solo aumenta nuestro entendimiento de cómo funciona el Universo, sino que eventualmente puede convertirse en la chispa de nuevas tecnologías que cambien el mundo en el que vivimos, como ya ha ocurrido con frecuencia en el pasado.”

¿Con qué figura ilustrar esta breve entrada? No me puedo resistir a seguir los pasos de Tommaso Dorigo, “Plot Of The Week: A Lovely Dimuon Mass Spectrum,” A Quantum Diaries Survivor, July 27th 2010. Esta figura obtenida por la colaboración CMS y publicada por primera vez para el congreso ICHEP 2010 nos muestra el número de eventos que presentan una desintegración en un par de muones (una de las señales más claras que se puede observar en un detector como CMS) observados con las colisiones analizadas desde el 30 de marzo de 2010 en el LHC (corresponde a los primeros 280 inversos de nanobarn de colisiones protón-protón a 7 TeV en el centro de masas). La escala horizontal es logarítmica y corresponde a la masa del par muón-antimuón observado. La escala vertical también es logarítmica y corresponde al número de eventos observado para cada masa (se cuentan todos los eventos agrupados en ciertos intervalos). En la parte derecha observamos unas decenas de eventos que corresponden al bosón vectorial Z. El pico más claro (y más elevado) corresponde a los mesones J/Psi. Un pico “precioso” y “preciso” (ver más abajo). También se ven picos asociados a otras partículas, como los mesones Upsilon, rho, omega y phi. Todos estos picos destacan sobre un fondo de pares de muones no identificados, un ruido de fondo imposible de evitar en un colisionador de hadrones.

El descubrimiento de una partícula elemental nueva es muy fácil cuando corresponde a un pico claro sobre el fondo de ruido. Por ejemplo, esta figura os ilustra un zoom de la figura anterior (el espectro de pares de muones, dimuones, alrededor del pico alrededor de la masa del mesón J/Psi, pero en escala lineal, no logarítmica y con menos datos de colisiones, solo 40 inversos de nanobarn). El pico se observa en los datos de maravilla (tanto que Tommaso no ha podido resistirse a dedicarle una entrada “The CMS Momentum Scale From J/Psi Decays,” aQDS, July 29th 2010). De hecho, con tan pocos datos la estimación que se obtiene para la masa de esta partícula es muy parecida al mejor dato publicado hasta el momento por el PDG (Particle Data Group). Una ilustración de la gran calidad del análisis realizado. Pero para una partícula aún por descubrir (pongamos que hablo del bosón de Higgs) el pico, si es que lo hay, es muy pequeño, casi imperceptible. El pico crece conforme se acumulan más colisiones, pero con pocas colisiones el pico es imposible de distinguir del ruido. Los límites de exclusión de masa del Tevatrón para el Higgs lo que nos presentan es la probabilidad de que no haya un pico cuando en los datos no se ha observado ningún pico (en estadística es el límite de confianza para la hipótesis de que no exista la partícula). Dentro de 10 años, si el bosón de Higgs existe, podremos enseñar una figura como esta para el bosón de Higgs que nos permitirá calcular con gran precisión su masa. Será una figura obtenida gracias al LHC del CERN. Pero hasta entonces lo que vamos a ver del Higgs es como la parte de la figura entre 2.6 y 2.8 (o entre 3.3 y 3.6), fluctuaciones que pueden indicar la existencia de algo interesante o que son meros espurios estadísticos sin mayor significación.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

En busca de financiación para el Tevatrón del Fermilab y en busca de una buena excusa para los políticos

Posted by emulenews en 29 Julio 2010

El colisionador de hadrones del Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois, cerca de Chicago, reclama financiación para seguir funcionando durante tres años más, hasta 2014. Si el Tevatrón no la recibe tendrá que clausurar en diciembre 2011. ¿Para qué mantener en funcionamiento el Tevatrón si el LHC del CERN ya está en marcha y le ganará por goleada el próximo año? Porque la goleada no será como la de España a Malta. Está planificado que el LHC se apague durante unos 15 meses para ser sometido a una intensa reparación durante el año 2012. Las colisiones volverán en 2013, si todo va bien, a 14 TeV en el centro de masas pero el proceso de encendido de la máquina, calibrado de los detectores e incremento de su luminosidad hará que no obtenga resultados interesantes hasta 2014, como pronto. Con financiación el Tevatrón se mantendrá en funcionamiento durante todo este tiempo recabando datos, entre otras cosas, para la búsqueda del bosón de Higgs. Gracias al editor del libro de Leon Lederman, en un país que confía en ”God” hasta en sus billetes, los físicos del Tevatrón quieren convencer a los congresistas de que los 100 millones de dólares que costaría mantener en funcionamiento el Tevatrón hasta 2014 merecen la pena. Nos lo cuenta, como no, Adrian Cho, “High Energy Physics: Fermilab Physicists Don’t See Higgs, Argue They Should Keep Looking,” News of the Week, Science 329: 498-499, 30 July 2010.

¿Tienen miedo de perder su puesto de trabajo los físicos que trabajan en el Tevatrón? Actualmente trabajan en DZero unos 500 físicos e ingenieros, y en CDF unos 600. No irán a la calle si se clausura el Tevatrón. Fermilab ya tiene concedidos 260 millones dólares para el experimento de neutrinos llamada NOvA y está desarrollando planes para otros proyectos, como nos recuerda Young- Kee Kim, subdirector del Fermilab. Gran parte del personal del Tevatrón se reciclará en estos proyectos. Incluso habrá que contratar a nuevos físicos e ingenieros. ¿Es caro 100 millones de dólares para mantener el Tevatrón sabiendo que seguramente perderá la batalla contra el LHC en la búsqueda del Higgs? Muchos físicos creen que ambas instalaciones en paralelo se complementarán de maravilla en los próximos 2 o 3 años. Sin embargo, los contribuyentes americanos son los que van a tener que pagarse el lujo. Muchos congresistas creen que un cheque por 100 millones de dólares a fondo perdido para una instalación ”perdedora” no es de recibo en época de crisis. Muchos físicos del Fermilab creen que la batalla por la financiación adicional está perdida. Confiamos en Obama. Pero Obama también sabe apretarse el cinturón.

BTW el fotograma de Rocky IV es una chorrada como cualquier otra. El Fermilab sería Rocky, menos poderoso que el superatleta ruso, que representa al CERN. Se me ha ocurrido esta chorrada pero no he sido el primero.

Publicado en Bosón de HiggsCienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsPrensa rosa,Science | Etiquetado: , | 5 Comentarios »

Más información sobre los 9 pares de quarks top-antitop observados por primera vez en Europa

Posted by emulenews en 24 Julio 2010

En las colisiones de protones en el LHC del CERN con una energía en el centro de masas de 7 TeV se produce un par de quarks top-antitop que decae en un leptón (electrón, e, o muón, μ) y chorros (jets) de partículas cada 20/nb (inversos de nanobarn) de colisiones almacenadas en disco y se produce un par top-antitop que decae en un par de leptones (ee/eμ/μμ) más chorros cada 110/nb. Desde el 31 de marzo de 2010 se han almacenado unos 280/nb de datos de colisiones detectadas en el experimento ATLAS (el más grande del LHC y el más grande del mundo). Por tanto, se espera que haya almacenados en disco unos 17 eventos tipo par top-antitop (14 del primer tipo y casi 3 del segundo). El análisis de los datos almacenados en disco ha encontrado 9 eventos tipo par top-antitop, de los que 7 eventos son del primer tipo (LJ1-LJ7 en la tabla) y 2 son del segundo (DL1 y DL2). Como podéis ver los 9 candidatos son 4 de tipo e+jets, 3 tipo μ+jets, 1 tipo ee y 1 de tipo eμ. Todos estos eventos son compatibles con lo que se esperaría observar para la producción de pares top-antitop según las simulaciones tipo Montecarlo de las colisiones protón-protón del LHC en el detector ATLAS.

El quark top es la partícula elemental más pesada en el modelo estándar y fue descubierto en el Tevatrón del Fermilab en 1995. El proceso de redescubrir el modelo estándar en el LHC del CERN tenía como última etapa el observar, por primera vez, el quark top en Europa. Dicho paso ya ha sido logrado. Obviamente, solo 9 eventos candidatos son muy pocos eventos para estar seguros al 100% de que el top ha sido observado, pero en las próximas semanas se observarán muchos más candidatos (una prueba de fuego será la observación de un evento tipo μμ en ATLAS, la señal indiscutible de un top en Europa). En diciembre de 2010 se espera que el LHC haya recabado 1/pb (inverso de picobarn) de colisiones y se hayan observado unos 60 pares de quarks top-antitop solo en ATLAS. Con dicho número ya se estará absolutamente seguro y se podrá empezar a estudiar sus propiedades en Europa. Para diciembre de 2011 el LHC habrá recabado 1/fb (inverso de femtobarn) de datos lo que implica que se habrán observado unos 6000 pares de quarks top-antitop solo en ATLAS (en toda la historia del Tevatrón se han observado menos de 1500). El otro gran experimento del LHC, CMS observará un número similar. Sin lugar a dudas el LHC del CERN es una fábrica de quarks top. Aún así, haber encontrado quarks top en el LHC en solo 3 meses de análisis de datos de colisiones es muy emocionante y por ello se ha esperado a la conferencia ICHEP 2010 de París para anunciar su descubrimiento.

¿Qué interés tiene redescubrir lo ya conocido? Parece una tontería, pero es importantísimo. Cualquier búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar requiere conocer muy bien la física del modelo estándar. Hay que redescubrir todo el modelo estándar en el LHC y recalibrar todos los programas de análisis de datos de los detectores para que identifiquen fuera de toda duda que eventos son compatibles con el modelo estándar y cuales corresponden a nueva física. En el caso concreto del quark top, siendo la partícula de mayor masa conocida, sus eventos formarán parte del fondo de todas las búsquedas de Higgs pesados y partículas supersimétricas, por ejemplo.

¿Queda algo importante del modelo estándar por redescubrir en el LHC? Sí, la producción de un quark top solitario gracias a la fuerza débil (estará acompañado de otro quark diferente, seguramente un quark bottom). Estos eventos son mucho más difíciles de detectar (en el Tevatrón se observaron por primera vez en 2008) y serán la prueba de fuego del redescubrimiento del modelo estándar en el LHC. ¿Se observará un evento con un top solitario en el LHC antes de diciembre de 2010? Podría ser, pero la estadística está muy ajustada. Yo apostaría más por su observación alrededor de abril de 2011. En este blog ya os informaremos de ello oportunamente.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: | 1 comentario

Observado el primer quark top en Europa (en el experimento ATLAS del LHC en el CERN)

Posted by emulenews en 22 Julio 2010

El primer par de quarks top-antitop observado en Europa en ATLAS el 24 de mayo de 2010. (C) CERN.

El primer par de quarks top-antitop (tt) ha sido observado en el experimento ATLAS del LHC del CERN en una búsqueda que ha utilizado 280/nb (inversos de nanobarn) de colisiones. Hay varios eventos candidatos que serán presentados mañana viernes en el congreso ICHEP 2010 en París en una charla técnica que anticipará su anuncio oficial el próximo lunes en una charla plenaria en dicho congreso. Los datos analizados deberían presentar, en teoría, 14 eventos tipo par top-antitop que se han desintegrado en leptones (e o μ) y chorros (jets) de partículas (se han observado 7 de ellos) y 3 eventos que se han desintegrado en pares de leptones (ee y eμ), de los que se han observado solo 2. La charla solo presenta “la foto” de tres de estos eventos. Obviamente, estos eventos son todavía eventos candidatos ya que en física de partículas es imposible asumir que un evento, por muy clara que sea la señal, no sea una mera fluctuación estadística, puro ruido de fondo. Solo tras obtener decenas de eventos candidatos se puede asegurar con gran probabilidad que entre ellos se encuentra cierta cantidad de eventos buscados. Aún así, hay que darles la enhorabuena a los físicos del CERN que han logrado observar (tras el análisis de los datos de las colisiones) varios candidatos a quark top en Europa. La imagen que abre esta entrada es un evento candidato a par de quark top-antitop que se ha desintegrado en un par de electrones (pp→tt→ee) y abajo tenéis un evento candidato a desintegración en un electrón y un muón (pp→tt→eμ). Más abajo aún tenéis un tercer evento de tipo pp→tt→e+jet. Todos estos eventos aparecen en la presentación de Arnaud Lucotte (ATLAS Collab.), “Top quark studies with ATLAS,” ICHEP 2010, Salle Maillot, 23-Jul-2010(mañana a las 12:10 podremos ver en directo su charla vía webcast). Ver también la charla de “First Results from ATLAS on QCD, Quarkonia and Heavy-flavour Physics in p-p collisions at 7 TeV,” ICHEP 2010, Salle Maillot, 23-Jul-2010 [ppt] (mañana también en vídeo), en la que se afirman que los dos primeros eventos a par top-antitop en Europa son los dos siguientes.

Evento candidato a par top-antitop que decae en un electrón y un muón observado el 22 de julio de 2010 en ATLAS. (C) CERN.

Event candidato a par top-antitop que decae en un electrón y un jet observado el 12 de julio de 2010 en ATLAS. (C) CERN

¿Ha observado el otro gran experimento del LHC al quark top? Según parece aún no, al menos con solo los 78/nb (inversos de nanobarn) de colisiones que se han analizado para la charla de Tim Christiansen (CDF Collab.), “Top-Quark Studies at CMS,” ICHEP 2010, 23 July 2010 (que mañana también podremos ver vía webcast). Oficialmente no se ha observado todavía ningún evento candidato a par de quarks top-antitop en CMS con tan pocas colisiones analizadas. Aún así, Tim no se resiste a presentarnos algunos eventos que podrían ser candidatos a par top-antitop, pero el análisis de la colaboración CMS no puede asegurarlo. Aquí os dejo un par de eventos a candidato de tipo pp→tt→e+jet y tipo pp→tt→μμ, que aún sin confirmar seguramente acabarán siendo confirmados en las próximas semanas.

Posible evento candidato: par top-antitop que decae en electrón más jet observado el 18 de julio de 2010 en CMS. (C) CERN

Posible evento candidato: par top-antitop que decae en par de muones observado el 18 de julio de 2010 en CMS. (C) CERN

El LHC del CERN será una fábrica de quark tops el año que viene, pero por ahora la fábrica de tops está en Chicago. Solo el detector CDF del Tevatrón ha observado desde 1995, con 5’6 /fb (inverso de femtobarn) de colisiones, 1263 eventos candidatos a par de quarks top-antitop. Estos eventos han  permitido obtener la mejor estimación de un solo experimento, hasta ahora, para la masa del quark top, en concreto 173’0 ± 0’7 (stat) ± 0’6 (JES) ± 0’9 (syst) GeV/c² = 173’0 ± 1’2 GeV/c², según nos contará mañana Hyunsu Lee (CDF Collab.), “Measurement of the top quark mass and width with CDF detector,” ICHES 2010, 23 Jul 2010. En la misma charla nos contará que la mejor estimación combinada del Tevatrón para la masa del quark top a fecha de julio de 2010 es de 173’3 ±0’6 (stat) ± 0’9 (syst) GeV/c² y que la mejor media mundial (combinando datos de LEP 2 y del Tevatrón Run II) es de 173’3 ± 1’1 GeV/c² (un resultado con un 0’61% de precisión).

Un valor más preciso de la masa del quark top permite, combinado con los datos del difunto LEP 2, estimar la masa del bosón de Higgs. El resultado se resume en la siguiente figura.

Los datos de LEP2 y del Tevatrón combinados apuntan a un Higgs con una masa muy pequeña (cercana a 115 GeV).

PS (24 Julio 2010): Otros también se han hecho eco de esta noticia, como Barbara Warmbein, “Europe reaches the top, err, the top reaches Europe,” Symmetry Breaking, July 23, 2010. “Finding top quarks at the LHC is exciting because the top is the last, and heaviest, particle that the LHC needed to add to its list of ‘rediscoveries’. It is also an important partner in the hunt for all sorts of new physics.” También Jester, “European Tops at Last!,” Resoonances, 23 July 2010. Y por supuesto “Candidate Top Events at 7 TeV Centre-of-Mass Energy,” ATLAS Experiment Public Results, 23 July 2010 (más información técnica en ”Search for top pair candidate events in ATLAS at sqrt(s)=7 TeV,” ATLAS-CONF-2010-063, 21 July 2010).

PS (26 Julio 2010): El evento más claro de observación de un par de quarks top-antitop en el LHC del CERN ha sido presentado por Guido Tonelli (CERN/INFN&University of Pisa) en representación del experimento CMS [transparencias pdf 8 Mbtransparencias ppt 32 Mb]: la observación de un par top-antitop que ha decaído en dos muones. Se trata de un canal con muy poco fondo (ruido) y donde la señal es muy clara. Os presento abajo una figura con 3 “visiones” de dicho evento, obtenido el 18 de julio de 2010.

Publicado en CienciaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: , | Deja un Comentario »

La deconstrucción dimensional del universo a alta energía y su estudio experimental en CMS del LHC en el CERN

Posted by emulenews en 21 Julio 2010

La imaginación de los físicos teóricos no tiene límite. No cejan de proponer nuevas ideas cada día más exóticas para búsquedas de nueva física en el LHC . Parece que no comprenden que el LHC del CERN tiene muchas tareas pendientes (el bosón de Higgs, la supersimetría, nuevas generaciones de partículas, dimensiones extra, etc.). Greg Landsberg (Universidad de Brown, EEUU) ha propuesto una nueva teoría que afirma que el número de dimensiones en el universo aumenta a medida que se expande desde la gran explosión. Él y sus colegas proponen que el universo comenzó con solo una dimensión espacial y una dimensión temporal (universo 1+1). “El universo nació como un hilo unidimensional que tejió un tapiz en dos dimensiones a medida que crecía; este tapiz se enrolló sobre sí mismo para crear un universo de tres dimensiones como el que conocemos; ahora mismo se está enrollando en cuatro dimensiones por lo que se observa una aceleración de la expansión cósmica del universo; la energía oscura es el eco de la cuarta dimensión del espacio.” La idea, que parece muy exótica para ser correcta, resuelve de un plumazo varios problemas del modelo estándar. Lo curioso es que el portavoz de la colaboración CMS del LHC en el CERN, Albert de Roeck, ha dicho que CMS ya tiene un equipo de físicos estudiando como confirmar o refutar las teorías de Landsberg. “El modelo de Landsberg es muy especulativo, pero nadie puede descartarlo a priori y hay ciertos datos sobre rayos cósmicos que explica mejor que las teorías actuales; vamos a dedicar tiempo de análisis en el LHC a confirmarlo o refutarlo.” Curioso. Nos lo han contado en Zeeya Merali, “Collider gets yet more exotic ‘to-do’ list. The Large Hadron Collider could throw up evidence of new physics earlier than expected,” News, Nature 466: 426, Published online 20 July 2010 [también en Scientific American]. Traducción de Kanijo, “El colisionador logra una lista de cosas por hacer aún más exótica,” Ciencia Kanija, 21 julio 2010 [ya meneada].

El modelo estándar de las partículas elementales permite comprender el universo desde una dimensión de 10-18 a 1024 metros (el primer valor corresponde a una energía de 1 TeV y el segundo a la escala asociada a la isotropía cósmica del universo). El modelo estándar es una teoría incompleta, contiene en su interior a su asesino ya que presenta divergencias a distancias muy cortas o energías muy altas que no se pueden evitar. Un truco matemático para resolver estas divergencias es una regularización dimensional (la técnica matemática que se utilizó para demostrar que la teoría electrodébil con ruptura de la simetría mediada por el mecanismo de Higgs es una teoría renomarlizable). Si el espacio tiempo tuviera 2 dimensiones espaciales estos divergencias se aliviarían y, más aún, si tuviera solo una dimensión espacial se resolverían fácilmente. El modelo estándar sería válido a todas las distancias y a todas las energías posibles y podría incorporar la gravedad sin ninguna dificultad (la gravedad cuántica funciona muy bien en 1+1 dimensiones, de forma razonable en 2+1 y es casi imposible en 3+1). Pura matemática dirás. Quizás sí o quizás no. Landsberg y sus colegas proponen que el universo surgió tras la gran explosión como un espaciotiempo 1+1 con el modelo estándar  como teoría correcta a todas las energías, incorporando la versión cuántica trivial de la gravedad de Einstein (en un espaciotiempo de 1+1 dimensiones tanto el modelo estándar como la gravedad funcionan de maravilla como teorías cuánticas de la realidad). Conforme el espaciotiempo se expandió (expansión cósmica) fueron surgiendo de forma dinámica nuevas dimensiones espaciales. Actualmente la así llamada “energía oscura” que explica la aceleración actual de la expansión cósmica es un resultado de la emergencia de un espaciotiempo 4+1 dimensional a partir de nuestro espaciotiempo 3+1 dimensional. Los interesados en más detalles técnicos (breves pero curiosos) pueden recurrir al artículo técnico de Luis Anchordoqui, De Chang Dai, Malcolm Fairbairn, Greg Landsberg, Dejan Stojkovic, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ArXiv, Submitted on 30 Mar 2010, que proponen que la dimensión del espacio depende de la escala considerada (a distancias más cortas la dimensión es más baja).

Este tipo de ideas tan radicales suelen pasar por los medios sin mucha atención. Salvo excepciones y esta parece que lo es. Lo más curioso es que Landsberg y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar efectos asociados a su modelo del universo, ya que a alta energía se recrean condiciones similares a los primeros instantes de la gran explosión, es decir, se deconstruyen las dimensiones espaciales. Él y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar colisiones de partículas en un espaciotiempo de dos dimensiones espaciales lo que verificaría su teoría. Más aún, creen que ciertos resultados “peculiares” observados en los rayos cósmicos tienen una explicación en su teoría. Habrá que estar al tanto de estas ideas en un futuro cercano.

PS (24 julio 2010): Greg Landsberg, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ICHEP 2010, París, 24 July 2010.

Publicado en CienciaFísicaLHC - CERNNoticiasPhysicsScience | Etiquetado: ,1 comentario

Todavía no se sabe la causa de la misteriosa vibración en los haces de partículas del LHC del CERN

Posted by emulenews en 19 Julio 2010

¿Qué ha pasado con la misteriosa vibración de 8 kHz en los haces de partículas del LHC del CERN que comentamos en mayo? Todavía sigue ahí y nadie sabe su causa. Los ingenieros están probando todo lo imaginable y la vibración se resiste a desvelar su secreto. El 15 de julio se llegó a apagar la red de transmisores GSM que dan cobertura a los teléfonos móviles en el túnel del CERN, por si acaso fuera la causa, pero la misteriosa vibración no desapareció (se probó con un haz a 450 GeV). ¿Cuál será la causa? Todavía nadie lo sabe. La historia de los colisionadores de partículas proporciona varios ejemplos de interferancias de causa desconocida, siendo la más famosa el efecto del tren de alta velocidad (TGV) francés  en los haces del LEP del CERN (cuando los trabajadores ferroviarios franceses se declararon en huelga desapareció la interferencia). ¿Cuál será la causa de la vibración del haz del LHC? Se han tenido en cuenta muchísimas posibles causas y todos los intentos han sido fallidos. Muchos ingenieros y científicos están buscándola. Al final, la causa será encontrada y todo quedará como una anécdota más en el lista del LHC. Hasta entonces habrá que seguir al tanto de las noticias. ¿Cuál será la causa? Lo he repetido varios veces en esta entrada a ver si de tanto repetirlo a alguien se le ocurre una idea brillante que ilumine la “bombilla” del ingenio de los ingenieros del CERN. Más información en “Test effects of the GSM. No effect seen on the hump,” LHC operation, 2010-07-15. Más información sobre la misteriosa vibración en Philip Bibbs, “Is someone trying to sabotage the Large Hadron Collider?,” viXra blog, May 25, 2010, y en “The Hump at the LHC is not GSM interference,” July 16, 2010.

Publicado en CienciaFísicaGeneralLHC - CERNPhysicsPrensa rosaScience | Etiquetado:  | 4 Comentarios »

Hoy habia 1 visitantes (1 clics a subpáginas) ¡Aqui en esta página!
Este sitio web fue creado de forma gratuita con PaginaWebGratis.es. ¿Quieres también tu sitio web propio?
Registrarse gratis