La explicación de la anomalía Wjj de CDF en el Tevatrón dentro el modelo estándar

El experimento CDF del Tevatrón, en el Fermilab, cerca de Chicago, observó una anomalía en las colisiones que producen un bosón W y dos chorros hadrónicos (colisiones W+jj) que corresponde a una resonancia alrededor de 147 GeV. Descubierta con 4,3 /fb de colisiones con una confianza estadística de 3,2 σ, ha sido confirmada con 7,3 /fb de datos con 4,1 σ [artículo en CDF]; la sección eficaz de esta resonancia es de 3,0 ± 0,7 pb. El experimento DZero del Tevatrón, tras analizar 4,3 /fb de datos, no ha observado esta anomalía y descarta que tenga una sección eficaz mayor de 1,9 pb. El análisis de DZero es independiente del de CDF y difiere en ciertos detalles importantes que impiden asegurar que DZero refute a CDF; ambos resultados podrían ser compatibles entre sí. Sin embargo, una discrepancia a 4 σ entre estos dos experimentos es excesiva.

El LHC del CERN aún no ha recogido suficientes datos para aportar nada útil al respecto (un análisis preliminar de ATLAS ha descartado la anomalía, pero el resultado aún ofrece poca confianza estadística]. Si la anomalía W+jj corresponde a nueva física, se cree que antes de final de año lo sabremos. Si no lo es, la anomalía es debida a algo muy sutil en el análisis de las colisiones de fondo en CDF; ahora mismo es difícil imaginar qué puede ser. ¿Qué diferencias hay entre el análisis de CDF y DZero? Te recomiendo la charla de Can Kilic (Rutgers & KITP), “W+jj: Facts and Fiction,” KITP The First Year of the LHC , 8 June 2011 [VIDEO], anterior a la publicación de los datos de DZero, y la de Adam Martin (Fermilab & KITP), “W+jets at the Tevatron,” KITP The First Year of the LHC , 8 June 2011 [VIDEO], que explica las diferencias a golpe de pizarra. Ambas charlas muestran que las diferencias entre ambos análisis son grandes y que para los físicos de CDF era de esperar que DZero no observara nada. Lograr un análisis común de ambos experimentos que permita compararlos de forma fiel requerirá varios años. A corto plazo, serán los experimentos del LHC los que tendrán la última palabra a finales de este año.

La figura que abre esta entrada ilustrando la anomalía Wjj de CDF tiene cierta trampa. La curva azul (aproximación gaussiana) entre 120 y 160 GeV dirige nuestra vista y nos engaña de la misma forma que una ilusión visual. Si le restamos los eventos W+jj observados a los eventos de fondo (curva roja), el resultado que se obtiene muestra que el problema/anomalía se observa en todo el intervalo de 28 a 300 GeV (ver la figura de arriba). Visto desde esta otra manera la explicación de la anomalía mediante una nueva partícula se desvanece. ¿Podría ser explicada la anomalía dentro del modelo estándar? Según Zack Sullivan y Arjun Menon la solución a la anomalía podría ser una contaminación de los datos debido a los eventos Wjjj (producidos en desintegraciones en un quark top y otro quark, es decir, la desintegración en un único top o “single top“). Según estos autores un exceso de desintegraciones con un solo quark top explica la anomalía si se separa la contribución de los eventos Wjj y Wjjj. Nos lo cuenta Zack Sullivan (Illinois Institute of Technology), “A standard model explanation of the CDF dijet excess in Wjj,” DFP, August 9, 2011; el artículo técnico es Zack Sullivan y Arjun Menon, “Standard model explanation of a CDF dijet excess in Wjj,” Phys. Rev. D 83: 091504, 2011.

Los físicos que han realizado el análisis de la anomalía Wjj de CDF no están de acuerdo con esta interpretación de la anomalía dentro del modelo estándar. Sus análisis indican que la separación de los eventos Wjj y Wjjj no es suficiente para eliminar la anomalía. Prefieren que corresponda a nueva física. Hay muchas explicaciones posibles para la anomalía Wjj que implican nueva física y algunas tienen implicaciones para el problema de la materia oscura, como nos cuenta Matthew R Buckley, “Dark Forces at the Tevatron,” TevPa2011, August 5, 2011. Buckley apuesta por una nuevo bosón vectorial Z’ (Z prima) que introduce una nueva simetría U(1) en el modelo estándar y que se acopla con preferencia a los quarks con respecto a los leptones (por eso se le llama Z’ leptofóbico); este nuevo bosón Z’ se produciría asociado a bosones W. Si este nuevo bosón Z’ estuviera asociado a una partícula, un escalar singlete en el modelo estándar, se tendría un candidato ideal para la materia oscura. Además, el problema de estabilidad del modelo estándar también podría estar resuelto.

En resumen, la anomalía Wjj dará que hablar hasta las conferencias de invierno, a finales de este año e inicios del próximo. Para entonces los experimentos del LHC habrán acumulado colisiones suficientes para decidir de forma definitiva si la anomalía realmente existe o no. Hasta entonces, los físicos teóricos tienen la oportunidad de realizar sus propuestas y publicarlas sin que ningún revisor se atreva a rechazarlas.

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