La traca #11 Luciérnagas: La anomalía de bosones W+jj en el Tevatrón

Dibujo20180309 la traca tevatron cdf anomaly podcast ivoox

Ya está disponible el podcast #11 de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

La anomalía de dos chorros en el Tevatrón. En el año 2011 había dos colisionadores de partículas que buscaban el bosón de Higgs, el Tevatrón del Fermilab en Batavia, cerca de Chicago, con colisiones protón-antiprotón hasta 2 TeV y el LHC del CERN cerca de Ginebra, diseñado para alcanzar colisiones protón-protón de hasta 14 TeV. El Tevatrón funcionó entre 1983 y 2011, dejando de funcionar el 30 de septiembre de 2011 cuando se vio que el LHC ganaría la batalla por el descubrimiento del Higgs. El gran hito del Tevatrón fue el descubrimiento en 1995 del quark top (cima), el quark más masivo, usando sus dos detectores CDF y DØ (DZero). Sin embargo, aún se siguen analizando los datos de sus colisiones.

Más información en este blog en “Un bosón Z’ leptofóbico logra explicar varias anomalías a 3 sigma observadas en el Tevatrón del Fermilab”, LCMF, 04 Abr 2011; “Un tecnopión de 150 GeV/c² podría ser la explicación de la anomalía observada en el Tevatrón del Fermilab”, LCMF, 17 Abr 2011; “Resultados preliminares apuntan a la confirmación a 5 sigma de la anomalía Wjj observada en CDF del Fermilab, aunque aún sin explicación”, LCMF, 31 May 2011; “La explicación de la anomalía Wjj de CDF en el Tevatrón dentro el modelo estándar”, LCMF, 09 Ago 2011; “Qué tiene que decir el LHC sobre dos anomalías detectadas en el Tevatrón”, LCMF, 17 Jun 2012; “Tras dos años de análisis se descubre el secreto de la anomalía W+jj en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)”, LCMF, 28 Feb 2013.

Dibujo20110402_observed_distribution_W_plus_dijet_events_at_CDF_Tevatron_black_data_points_after_subtraction_all_Standard_Model

En abril de 2011 se observó una anomalía en las colisiones del detector CDF. En las desintegraciones con un bosón W y dos chorros hadrónicos aparecía un exceso a unos 150 GeV con 3,3 sigmas (desviaciones estándares), lo que significa que no era una fluctuación estadística con una probabilidad superior al 99,7%. No podía deberse a un Higgs con dicha masa, ya que se hubiera observado una señal en otros tipos de desintegraciones y no estaba de acuerdo con las predicciones teóricas. El artículo analizaba 4,3/fb de colisiones. En mayo de 2012, tras el análisis de 7,3 /fb de colisiones en CDF la anomalía alcanzó 4,1 sigmas (inicialmente se habló de 4,8 sigmas). El problema es que el otro detector del Fermilab, DZero, tras analizar 4,3 /fb de datos, no observó esta anomalía en agosto de 2012. Una discrepancia a 4 σ entre estos dos experimentos es excesiva. Por desgracia para quienes buscan física más allá del modelo estándar, los grandes detectores del LHC del CERN , tras el análisis de las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. descartó estas anomalías. El primero en publicar el análisis fue CMS en junio de 2012,

¿Qué podía ser esta anomalía? Se ofrecieron muchas explicaciones, por ejemplo, un nuevo bosón vectorial electrodébil Z′ con una masa aproximada entre 140-150 GeV/c² y leptofóbico, que se acopla mucho más a los quarks que a los electrones y los muones; Un nuevo bosón vectorial electrodébil Z′ implica una extensión de las simetrías del modelo estándar a SU(3)×SU(2)×U(1)×U(1)′, algo predicho por varias teorías de gran unificación como las basadas en SO(10) y E6. Gracias a su leptofobia (o hadrofilia) su existencia no contradice los límites actuales que excluían un bosón Z′ con una masa inferior a 1 TeV/c². El nuevo Z′ explica el exceso a 3’2 σ en la distribución observada en el dectector CDF de colisiones con dos chorros y un bosón W, el exceso a 2 σ de eventos con al menos 3 chorros cuyo origen son quarks bottom tanto en CDF como DZero, y la discrepancia a 3’4 σ entre CDF y el modelo estándar para la asimetría forward-bacwkard (hacia adelante-hacia atrás) en la producción de quarks top y antiquarks top.

Dibujo20110531_cdf_bump_4p3_ifb_data

Otra explicación propuesta es que era un tecnopión de 150 GeV/c² producción conjunta de un bosón W y dos chorros de hadrones (espectro Wjj). El tecnicolor se suele asociar a escalas de energías más altas, del orden 1000 GeV, y no a unos cientos de GeV. La desintegración de un tecnorho ρT con una masa de unos 290 GeV en un tecnopión πT con una masa de 160 GeV y un bosón W (es decir, ρT → πT + W); el tecnopión decaería en dos chorros hadrónicos. Una nueva interacción parecida al “color” que se ha llamado “tecnicolor” que lograría explicar la ruptura de simetría electrodébil de forma dinámica (no sería una ruptura espontánea como en el mecanismo de Higgs). El equivalente al Higgs en el tecnicolor sería un tecnomesón (bosón pseudoescalar de Goldstone) compuesto de dos tecnoquarks.

En agosto de 2012 tras la no observación por DZero se pensó que la explicación tenía que ser algo muy sutil en el análisis de las colisiones de fondo en CDF. Se habló de una posible 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“).

La solución se publicó en febrero de 2013. La causa tenía que ser un “error sistemático” en los análisis de este tipo de colisiones. Ha costado dos años de intenso trabajo, basado en tres posibles hipótesis, hasta que se ha descubierto la razón. La técnica de Monte Carlo utilizada para el ajuste de los disparadores (triggers), utilizados en la identificación de los chorros, confunde cierto tipo de ruido de fondo con “supuestos” leptones (fake leptons), sobre todo electrones; reajustando la técnica de selección de eventos la anomalía W+jj desaparece y los datos corresponden a las predicciones del modelo estándar. Dos años de esfuerzos que han valido la pena. Había que encontrar el origen de este “error sistemático” pues podría afectar a otros análisis.

Al cambiar la técnica de análisis (en concreto la técnica de identificación de los chorros cuando aparecen leptones) la anomalía desaparecía. Como ya viene siendo habitual, el modelo estándar es robusto, muy robusto.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *