miércoles, 30 de noviembre de 2011

¿Por qué los físicos buscan el bosón de Higgs?

En este momento el bosón de Higss es tema de atención, por lo que es necesario explicar algunas cosas, retomar los propósitos de los detectores ATLAS y CMS y considerar porque es díficil estar seguro de lo que se ha visto.

Para crear el bosón de Higgs (y todas las demás partículas que produce), el LHC destruye protones en un proceso de alta energía, que convierte parte de esa energía a la masa. Esto producirá una ráfaga de partículas, muchas de las cuales son residuos y también inestables. Por la vez que algo llega al detector de hardware actual, a menudo decae varias retiradas de las partículas producidas en las colisiones reales. Los investigadores tratan de usar las partículas que llegan a los detectores de trabajar su camino de regreso e inferir las partículas que decayó en su producción.

Los modelos teóricos de Higgs indican que tiene varias formas de descomposición; un ejemplo es la producción de dos fotones de alta energía. El problema es que muchos otros procesos también pueden producir dos fotones de alta energía. ¿Cómo sabe usted cuando está buscando el producto de la partícula de Higgs? La respuesta corta es averiguar todos los otros eventos que pueden producir una señal de tipo Higgs y la frecuencia típica en la que se va a producir. Si ve más de estas señales que sugieren esas frecuencias, entonces usted sabe que tiene algo que se parece al bosón de Higgs.

Pero no podemos aceptar cualquier exceso de señal como una señal de una partícula, muchos eventos son probabilísticos, así que siempre hay una posibilidad de un exceso de eventos que ocurren al azar. ¿Cómo sabemos cuando tenemos suficiente señal para decir con confianza que hemos visto el bosón de Higgs?

Tirar los dados ... una y otra vez

La forma más sencilla de explicar esto es por analogía. Imagínese que usted está usando una serie de 60 dados. La mayoría de ellos son normales, pero sospecha que uno o dos son inusuales -que tienen el mismo número en todas sus caras. Por ejemplo, usted piensa que tiene cinco en cada una de sus caras-. Pero hay un problema: no se puede mirar los dados (al igual que los detectores no pueden ver el Higgs directamente, sólo sus productos de desintegración). Todavía es posible saber si sus sospechas son correctas, aunque el truco está en tirar la serie de 60 dados lo suficiente y hacer un seguimiento de los resultados.

Si usted tiro todo el conjunto una vez, espera que la mayoría de los números aparezcan en los resultados unas 10 veces. Pero no se espera exactamente 10. Ya que es un proceso aleatorio, puede ver distintos resultados. Incluso si su dado con sólo caras de cinco estaba presente, todavía hay una posibilidad de que volvería a ver menos de 10 cinco tirados. Usted puede medir la cantidad de variación en torno a su resultado esperado 10 con un valor estadístico llamado desviación estándar. Y, en este ejemplo, incluso si su inusual dado esta presente, la señal de este, el número de cinco es probable que estaría dentro de una desviación estándar de lo que esperaría de un juego puramente al azar.

Por lo que se requiere tirar todo el conjunto de nuevo. Y otra vez. Con cada lanzamiento, la desviación estándar reduce el número total de eventos, como las fluctuaciones aleatorias da la oportunidad de comenzar a cancelar el uno al otro. Y, si los dados especiales están presentes, usted debe comenzar a ver un exceso de caras cinco que se destaca del ruido aleatorio, que puede terminar en dos o más desviaciones estándar de lo que cabría esperar. Estadísticamente, sabemos que hay una posibilidad del 95 por ciento de que cualquier resultado al azar estará dentro de dos desviaciones estándar de lo esperado. Pero que aún deja un cinco por ciento de probabilidad de que una señal de dos desviaciones estándar sea resultado de la casualidad. No es lo suficientemente bueno pero es lo que se puede encontrar.

A medida que se tiran los dados cada vez más, una de dos cosas puede suceder. En algunos casos, es posible que los resultados estén tan cerca del valor esperado para la búsqueda de una señal que sería muy poco probable -que puede acabar necesitando tirar 500 dados de dos en dos en una fila con el fin de obtener una señal más de dos desviaciones estándar lejos del valor esperado-. Esto permite una regla. En este ejemplo, podemos decir con seguridad que en nuestro conjunto, no tiene dos en dos en cada cara. La otra cosa es que las señales reales que terminan siendo más fáciles de distinguir de azar de fondo -que debe ser un mayor número de desviaciones estándar del valor esperado-.

¿Fotones, bosones, o qué?

Por lo tanto, de vuelta a la física de partículas. Para una energía dada, es posible estimar el número de eventos de un determinado tipo de dos fotones, un bosón W y Z, -que se podrían obtener a partir de procesos que ya conocemos-. Y se puede medir el número de eventos de este tipo que realmente ve. Al comparar los dos, usted puede decir si los hechos que se ven son una desviación estándar o más lejos del resultado esperado. O usted puede ver si el valor está muy cerca de lo que se espera que puede decir con seguridad el bosón de Higgs no es esa energía.

El año pasado, ATLAS y CMS registró un número de eventos en diversas energías donde creemos que el bosón de Higgs podría estar oculto. En su mayor parte, estos han sido en torno al número de eventos que había predicho. En este punto, es muy poco probable que veamos un exceso de pronto -no va a hacer el equivalente de 100 rodando dos en dos en una fila-, lo que los físicos han concluido que se puede excluir a estas energías como la ubicación de la partícula de Higgs. Pero hay algunas zonas, sobre todo en el rango de 120 a 140GeV, donde las cosas son ambiguas. Hay indicios de una señal, pero la señal esta dentro de dos desviaciones estándar a partir de los antecedentes.

Ahora, tenemos mucho más datos gracias a una impresionante racha de este año, tenemos una cantidad de datos que se tomaron  de Tevatron antes de que concluyera. Los equipos detrás de los dos detectores esperan que dentro del procesamiento de datos aparezca una señal. Las expectativas son que uno se ha elevado a cerca de tres desviaciones estándar (lo que comúnmente se llama "tres sigma") desde el fondo de los acontecimientos del modelo estándar. Tres sigma es considerada como "evidencia" de la existencia del bosón de Higgs. Se tarda un máximo de cinco sigma antes de que se este dispuesto a declarar el descubrimiento y nadie espera que vayamos a tener ese nivel de certeza en un tiempo próximo.

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