Random header image... Refresh for more!

Higgs - Fermilab

Astazi la Fermilab a avut parte primul seminar din cele anuntate de mine intr-un post anterior.

Mai jos putem vedea rezultatul prezentat de colaborariile CDF si D0 de la Fermilab. [Articol complet combinatie ]

Pentru ca acesta este genul de imagini care va mai fi vazut zilele acestea (cel putin de cei interesati cat de cat in problema) o sa ma straduiesc sa-l explic. Prima data sa mentionam ca bozonul Higgs este asteptat sa apara in coliziunile proton - antiproton de la Fermilab cu o anumita frecventa, cam intr-o ciocnire din 10^12 (10 urmat de 12 zerouri ). Numim in fizica aceasta probabilitate de aparitie a unei reactii sectiune eficace. Avand in vedere ca producerea bozonului Higgs este o necunoscuta si nu stim daca in Natura se realizeaza o teorie preferata, pe care noi o numim Model Standard, sau o alta teorie pentru a ne usura munca ne raportam la sectiunea eficace din Modelul Standard (SM in imagine). Astfel in imaginea de mai sus pe axa Oy avem raportul dintre sectiunea eficace pe care o determinam experimental si cea pe care Modelul Standard o produce (linia neagra din imaginea de mai sus). [Lucrurile sunt un pic mai complicate dar prefer sa nu intru adanc in detalii. Pe scurt sectiunea eficace care apare in plotul de mai sus este sectiunea eficace maxima care poate fi exclusa cu un nivel de confidenta de 95%. Pentru detalii va rog cititi acest articol]. Pe axa Ox avem masa ipotetica a bozonului Higgs.

Daca linia neagra coboara sub 1 inseamna ca in acea regiune bozonul Higgs (de tip Model Standard) este exclus.
In plotul de mai sus Tevatronul exclude bozonul Higgs cu mase intre 100-103 GeV si 147-180 GeV. Ariile hasurate sunt excluse de experientele de la CERN si doar ariile albe mai sunt permise pentru bozonul Higgs.

In acelasi plot vedem o alta linie neagra intrerupta care ne arata unde ne asteptam ca acest raport de sectiuni eficace sa pice in cazul in care nu avem un semnal (adica nu exista particula higgs). Ceea ce vedem in figura de mai sus este ca in intervalul 115-140 GeV linia neagra se indeparteaza foarte mult de linia neagra punctata. Altfel spus in acel interval observam un exces semnificativ fata de ipoteza nula (fara particula Higgs).

Intrebarea este cat de semnificativa este acest exces. In limbaj de specialitate semnificatia este data in termeni de sigma (provine din distributia normala - v figura de mai jos).

Sa incercam sa explicam. (Va rog rezistati prin paragrafele scrise in italic sau faceti un salt mortal pana la "Prin definitie...").

Sa luam o moneda si sa o aruncam de multe ori .... sa zicem 10 000 . Ne asteptam ca moneda sa pice pe fata cu stema de aproximativ 5000 de ori (nu este un numar fix). Repetand experimentul de foarte, foarte multe ori vom obtine o gausiana cu centrul la 5000. Probabilitatea ca sa arunc moneda de 10 000 de ori si sa obtin un numar mai mare de 6000 de steme este foarte mica. In plus daca repet experimentul cu o alta moneda si obtin tot valori in jur de 6000 e foarte probil ca noua moneda sa fie "incarcata". Probabilitatea de a avea o moneda adevarata care cade in acest rezultat foarte improbabil este evaluata in "sigma" unde 1 sigma reprezinta o probabilitate 31% (adica 31% dintre masuratori cad in afara intervalului 1 sigma), 2 sigma 4.5%, 3 sigma 0.269%, 4 sigma 0.0063% , 5 sigma 0.000057%. Fara a intra in detalii 1 sigma in cazul experimentului de mai sus inseamna 50. Deci 5050 este la 1 sigma de medie, 5100 la 2 sigma si asa mai departe.

Aceasta este probabilitatea ca o moneda normala sa dea un rezultat "anormal" (departat de 1/1) si masura departari este masurata in a fi intervalului n-sigma. Din cauza ca ne punem intrebarea a fi mai mare sau egal cu 7000 atunci va trebui sa impartim probabilitatile de mai sus la doi. Oricum observam ca 6000 este la 20 sigma (20 x 50) departare de media distributiei iar probabilitatea ca aruncand o moneda corecta de 10000 de ori si a obtine 6000 de steme este 1.718E-14, adica 1/58207217694994.

Prin definitie in fizica particulelor elementare sunt importante probabilitatile 3 sigma (1/740) si 5 sigma (1/3,500,000) care corespund probabilitatii pentru o evidenta respectiv pentru descoperire. (In exemplu de mai sus ar corespunde la 5150 si 5250 steme obtinute.)

In graficul de mai sus linia neagra intrerupta reprezinta media aruncarilor cu moneda (ipoteza nula -nu exista Higgs) iar linia neagra continuua reprezinta rezultatul obtinut la un singur experiment. Avand in vedere ca linia continuua este la 2.5 sigma de linia intrerupta in jurul masei de 115 - 130 GeV , probabilitatea ca ipoteza nula sa fluctueze pana la ipoteza Higga este aproximativ 1/100. Putem spune ca exista un exces semnificativ care ar putea sa fie interpretat drept cauzat de bozonul Higgs.

In mod clar este nevoie de mai multe rezultate pentru a declara ca bozonul Higgs exista. Zvonurile sunt incurajatoare ! Ramane sa vedem Miercuri dimineata ce se va anunta la seminarul de la CERN.

PS: imi dau seama ca postarea este un pic prea tehnica. Va rog nu ezitati sa puneti intrebari prin intermediul comentariilor.

www.pdf24.org    Send article as PDF   

July 3, 2012   No Comments

Musai de urmarit !

June 28, 2012   1 Comment

Un Higgs, cinci Higgs... cati Higgs ?

Observ ca in ultimul timp, din dorinta de senzational, un rezultat stiintific este interpretat, re-interpretat si pana la urma inteles ca sigur de catre publicul larg.

Acest tavalug a inceput in cand D0 (experimentul la care am lucrat si inca mai semnez ca autor) a lansat rezultatul de mai jos:

B10AF99 Nu doresc sa intru in toate detaliile tehnice, o sa atrag doar atentia ca punctul negru din imaginea de mai sus (punct obtinut in urma rezultatului publicat de D0)  este incompatibil cu ceea ce era asteptat (punctul albastru din imagine)  cu un nivel de confidenta de 99%. In alte cuvinte exista 1% sanse ca aceste doua puncte sa fie totusi compatibile experimental, iar diferenta din grafic sa fie datorata doar unor fluctuatii sau erori de masurare.  (Pentru o descoperire sasele ca cele doua puncte sa fie compatibile trebuie sa fie 0.0000573303% !!! )

Dupa publicarea acestui rezultat, la scurt timp, Bogdan Dobrescu impreuna cu colegii lui din departamentul de teorie de la Fermilab, publica un articol care arata ca aceasta discrepanta ar putea fi explicata intr-un anumit model, extindere supersimetrica a modelului standard actual in fizica particulelor elementare.  In toate modelele supersimetrice se trece de la un boson Higgs la cinci, si se mai postuleaza existenta unui superpartener pentru fiecare particula existenta in modelul standar.

Faptul ca s-a masurat o abatere mare de la modelul standard a facut un adevarat val de valva in presa internationala, val care poate fi vazut aici. Mai tarziu bineinteles si articolul lui Bogdan Dobrescu a primit o groaza de atentie si cateva link-uri sunt date aici.

Ceea ce ma ingrozeste e ca perceptia incepe sa fie ca s-a dovedit ca exista 5 bosoni Higgs. Cat se poate de neadevarat!  In primul rand rezultatul experimentului D0 trebuie confirmat de un alt experiment pentru a asigura faptul ca nu este o greseala de masuratoare sau o fluctuatie nefericita a datelor. Aceasta confirmare/infirmare s-ar putea sa vina in Iulie din partea experimentului CDF la ceea mai mare conferinta de fizica pe tema particulelor elementare ICHEP. Dar cel mai probabil nu va aparea decat la anul.

Pana atunci rezultatul anuntat de D0 trebuie privit ca un rezultat neconfirmat, si orice model care explica acest rezultat ramane doar un model si nu poate fi numit altfel.

Ma bucur sa vad ca Bogdan Dobrescu sublineaza si el acelasi lucru! Puteti vedea penultimul paragraf din interviul de aici.

Cred ca acest rezultat a fost escaladat si stors de presa. Se uita, de multe ori ca aceste rezultate neconfirmate pot sa dispara (vezi excesul de tau in analiza MSSM a CDF de acum 3 ani!, analiza care a ajuns in The Economist si New Scientist si a facut valva). Dar  “s-ar putea”  nu aduce deloc audienta si e subtil inlocuit cu “nu mai e singur” (bosonul Higgs) sau “rezultat de rasunet…. exista 5 bosoni”…

Pana la urma cati Higgs exista ? Pana nu se descopera unul … exista exact zero!!!

PS: Ma bucur ca Bogdan Dobrescu a fost mentionat foarte mult si a primit foarte multa vizibilitate. Din punctul meu de vedere este unul din teoreticienii care stie sa asculte foarte bine experimentele.

www.pdf24.org    Send article as PDF   

June 21, 2010   1 Comment

Cursa secolului

Articol scris pentru www.scipedia.ro

Ieri au aparut in presa internationala o serie de articole (BBC, NewScientist, Symmetry) care anuntau o cursa pentru gasirea bosonului Higgs. Desi aparent o noutate, aceasta cursa exista de cativa ani de zile. Sa incercam sa pornim povestea din trecut si sa vedem unde suntem astazi.
In 2000 CERN punea oprea unul dintre cele mai de succes acceleratoare,LEP (Large Electron Positron Collider) pentru a face loc proiectului LHC in tunelul care se intinde intre Franta si Elvetia. LEP reusise sa descopere bozonii Z si W, si cu descoperirea lor si masurarea proprietatilor acestora Modelul Standard al Particulelor Elementare devenea standard in domeniul particulelor elementare, canonul teoretic.
Pe partea celalta a oceanului, in apropiere de Chicago, Tevatronul se odihnea intr-un binemeritat program de upgradare. Isi facuse datoria pentru care fusese proiectat si pornit in anul 1983. Descoperise in 1995 quarkul top o alta particula prezisa de teorie. Urma sa continuue din 2002 cu scopul de a masura cu precizie proprietatiile acestei particule.
Inainte de 2002 fizicienii au realizat ca existenta infamului boson Higgs poate fi testata si la Tevatron. Astfel ca incepand cu 2002 de cand Tevatronul a "renascut" Fermilabul a intrat direct in cursa cautarii bosonului Higgs. Initial fara o sansa reala, caci energia disponibila este mai mica decat la LHC si la fel si luminozitatea (masura a numarului de interactii in ciocniri). Pe hartie in 2002 Tevatronul pierduse cursa. Aceasta opinie era intarita si de performanta slaba a acceleratorului dupa pornire.


Luminozitatea Tevatron RunII pana in prezent
Luminozitatea integralaTevatron RunII pana in prezent.(picture credits: Fermilab/D0)


Performanta unui accelerator poate fi vazuta din graficul luminozitatii integrale (suma luminozitatii in timp). Daca ne uitam cum a evoluat luminozitatea integrala vazuta de experimentul D0 (unul din cele 2 experimente de la Tevatron. Celalat experiment este CDF.) in ultimii 6 ani observam ca acumularea de luminozitate si de date in anul 2002 a fost foarte mica , dar in timp rata de acumulare s-a imbunatatit in ritm extrem de rapid. Aceasta imbunatatire a fost posibila in urma cunoasterii din ce in ce mai bine a complexului de acceleratoare si imbunatatirii anumitor componente sau metode de exploatare. In ultimul an Tevatron a reusit sa depaseasca specificatiile pentru care a fost proiectat si functioneaza in regim stabil.
Punerea in functiune a unui accelerator nu este un lucru usor si probleme au fost si la punerea in functiune a Tevatronului. Acum peste ani a venit randul LHC-ului sa fie pus in functiune si , din pacate, sa aiba de a face si cu prima problema. Incidentul din septembrie anul trecut, incident destul de serios si care a evidentiat o serie de probleme, a facut ca primele coliziuni la LHC sa fie amanate pana in toamna acestui an.
Aceasta intarziere si intarzierea fata de planurile initiale a dat timp Tevatronului sa se puna pe picioare si a experimentelor de a colecta suficiente date pentru a putea spune ceva despre existenta particulei Higgs. Modelul standard de care am vorbit la inceputul acestui articol functioneaza doar daca acesta particula exista. Modelul standar insa nu prezice masa acestei particule si experimentele trebuie sa o masoare sau sa o excluda. Anul trecut Tevatronul a facut public primul rezultat prin care exclude o valoare a masei Higgs, anume 170 GeV (gigaelectronvolt. Spre comparatie masa unui electron este 0.5MeV). Astfel Tevatronul devenea anul trecut al doilea experiment care spunea ceva despre particula Higgs (inainte LEP-ul exclusese orice Higgs cu o masa mai mica de 114GeV) si isi demonstreaza capacitatea de a concura LHC-ul in elucidarea secretelor Modelului Standard.

Higgs Exclusion
Intervalul de exludere a masei particulei Higgs pana in prezent (picture credit: www.symmetrymagazine.org)


Cursa nu este insa de la egal la egal, ci mai degraba o cursa ce aduce aminte de parabola cu broasca testoasa si iepurele. Diferentele intre cele doua experimente sunt destul de mari, un lucru insa le-ar putea uni: o masa a bosonului Higgs mica , undeva intre 114 GeV si 130 GeV. In aceasta situatie ambele experimente au nevoie de foarte multe date pentru "a spune ceva". Astfel ca nici unul din experimente nu il va putea "depasi" usor pe celalt.
Tevatronul este cel mai sensibil in jur de 170GeV unde a facut si prima excludere. Norocum lui poate fi un Higgs de masa apropiata cu 170 GeV, situatie in care ar putea lua fata LHC-ului. (vezi figura de mai jos)


Higgs probs at Tev
Probabilitatea ca particula Higgs sa fie pus in evidenta la Tevatron in functie de luminozitatea produsa. (picture credit: www.symmetrymagazine.org)


Insa la ce ne putem astepta anul acesta. Peste doar doua saptamani sunt conferintele de primavara unde speram ca Tevatron sa faca publice noi rezultate. Astfel se poate ca in cateva saptamani o regiune in jurul masei de 170 GeV sa fie exclusa. Stresul e mare si experimentele trec acum printr-o perioada intensa de munca pentru a aduce ceva nou la aceste conferinte.
In Septembrie speram ca LHC-ul va porni din nou, de data asta cu succes si ca la carte. Prima perioada, probabil ceea mai grea si mai frustanta va fi intelegerea atat a acceleratorului cat si a experimentelor. Aceasta perioada poate dura un an, poate mai mult. De abia dupa ce modul in care se comporta detectorii va fi inteles foarte bine se va putea pune incredere in rezultatele experimentale provenite de la LHC. Cat va dura aceasta perioada nimeni nu stie, insa in ultimii cativa ani aceasta perioada a fost pregatita in amanunt astfel ca fizicienii sa fie antrenati in ceea ce urmeaza sa faca si aceasta durata de tranzitie sa fie cat mai scurta.
Anul acesta va fi anul privirilor nervoase catre concurent. Tevatron va incerca sa isi mentina performanta si sa stoarca totul din datele pe care le are. Pe cealalta baricada LHC-ul va incerca sa elimine orice intarziere, sa fie sigur ca va porni "la cheie" si va functiona fara oprire cat mai mult. Tensiunea e mare caci competitia a devenit reala si stransa si in istorie doar numele castigatorului se pastreaza.

www.pdf24.org    Send article as PDF   

February 18, 2009   No Comments