El detector CDF II del Tevatron mide una masa del bosón W que está a 7 sigmas del modelo estándar

Por Francisco R. Villatoro, el 8 abril, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 15

El sector electrodébil del modelo estándar se ha estudiado con gran precisión en los últimos 40 años. Nadie espera una desviación a más de cinco sigmas en cualquiera de sus pocos parámetros. Se acaba de publicar en Science un resultado increíble, por no creíble, una desviación a 7 sigmas para la masa del bosón W entre la predicción del modelo estándar y la estimación del detector CDF II del Tevatrón tras analizar 8.8 fb⁻¹ (inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1.96 TeV c.m. (teraelectrónvoltios en el centro de masas). La nueva medida, 80433.5 ± 6.4 ± 6.9 MeV/c² = 80433.5 ± 9.4 MeV/c², es la más precisa obtenida hasta el momento; la predicción del modelo estándar es 80357 ± 4 ± 4 MeV/c² = 80357 ± 6 MeV/c². Lo siento, pero no me lo creo.

Soy consciente de que el análisis realizado por los 398 miembros de la colaboración CDF II es muy complejo, pero el diablo está en los detalles. Lo más destacable es que el nuevo resultado de CDF II difiere claramente de los resultados de DZero II (80376 ± 23 MeV/c² con 5.3 fb⁻¹ de colisiones en el Tevatrón), ATLAS (80370 ± 19 MeV/c² con 4.6 fb⁻¹ de colisiones en LHC a 7 TeV c.m.) y LHCb (80354 ± 32 MeV/c² con 1.7 fb⁻¹ de colisiones en LHC a 13 TeV c.m.). Habrá que esperar a las nuevas medidas de DZero II, ATLAS, CMS y LHCb, pero me temo que serán coherentes (consistent) con el modelo estándar, dejando en entredicho la medida de CDF II. Además, si confiamos en el nuevo resultado de CDF II, la física de precisión en el sector electrodébil que hemos explorado en los últimas décadas tendría que haber mostrado múltiples señales. Por ejemplo, como muestra la figura, la probabilidad de observar la supersimetría en la escala electrodébil crece mucho con la nueva medida; sin embargo, tras una intensa búsqueda en los últimos 30 años aún no ha sido observada.

El artículo en Science y la información suplementaria no son suficientes para desvelar posibles sesgos en el análisis. Me hubiera gustado ver una estimación de la anchura del bosón W a partir de los datos de CDF II. En los análisis se ha usado el último valor disponible para la anchura predicha por el modelo estándar, ΓW = 2089.5 ± 0.6 MeV, y me temo que este valor podría ser incoherente (inconsistent) con la estimación de CDF II. Además, creo que se ha subestimado la incertidumbre sistemática. Podemos comparar el nuevo resultado con la medida de DZero II, el otro detector del Tevatrón, publicada en 2013 tras analizar 4.3 fb⁻¹ de colisiones del Run II; el resultado obtenido fue 80367 ± 13 ± 22 MeV/c² = 80367 ± 26 MeV/c². Como 4.3 fb⁻¹ es un 49 % de 8.8 fb⁻¹, sería de esperar que la medida de CDF II tuviera un error estadístico de 6.3, que se parece mucho a los 6.4 obtenidos; sin embargo, al aplicar este cálculo al error sistemático obtenemos que debería ser 10.8 en lugar de 6.9. Así cabría esperar un error sistemático en CDF II de 13 en lugar de 9; si bien el efecto es pequeño, rebaja las 7 sigmas de desviación a algo menos de 5 sigmas, creo que apunta a que el análisis de las colisiones ha sido presentista (no solo con técnicas actuales, sino con datos actuales), luego puede ocultar sesgos en la calibración de los programas de análisis. Estos sesgos podrían influir en el análisis de los sucesos de fondo (background), lo que modificaría el valor de la masa del bosón W (casi con seguridad hacia abajo). 

En resumen, tengo muchas dudas sobre el nuevo resultado de CDF II. Un resultado que provocará un enorme tsunami de publicaciones tratando de explicar lo inexplicable: cómo no ha habido ninguna señal hasta ahora de que no teníamos ni idea de cuál era la masa del bosón W (que se ha usado en infinidad de análisis). Siento ser pájaro de mal agüero, pero creo que hay sesgos sutiles en el análisis de los datos que han llevado a un resultado no creíble. Pero, como siempre, espero estar equivocado y que estemos en ciernes de una revolución en la física de partículas. El artículo es CDF Collaboration, «High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector,» Science 376: 170-176 (07 Apr 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abk1781 (recomiendo las 70 páginas de la información suplementaria [PDF]). Para los amantes de las «revoluciones» en ciencia recomiendo leer a Adrian Cho, «Mass of rare particle may conflict with ‘standard model,’ signaling new physics,» Science (07 Apr 2022); Claudio Campagnari, Martijn Mulders, «An upset to the standard model,» Science 376: 136 (07 Apr 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abm0101.

Obviamente, muchos medios se han hecho eco de esta increíble noticia, la mayoría surfeando la ola del revuelo (hype) que ha provocado. Recomiendo leer a Davide Castelvecchi, Elizabeth Gibney, «Particle’s surprise mass threatens to upend the standard model,» News, Nature, 07 Apr 2022; Charlie Wood, «Newly Measured Particle Seems Heavy Enough to Break Known Physics,» Quanta Magazine, 07 Apr 2022; Matt Strassler, «The W Boson Isn’t Behaving,» Of Particular Significance, 07 Apr 2022; Matt Strassler, «A Few Remarks on the W Boson Mass Measurement,» Of Particular Significance, 08 Apr 2022; entre otros.

[PS 09 abr 2022] Recomiendo la presentación de Ashutosh Kotwal (Duke University, for the CDF Collaboration), «High-Precision Measurement of the W Boson Mass with the CDF II Detector,» Joint Theoretical-Experimental Physics Seminar, Fermilab, 08 Apr 2022 [Slides PDF]. [/PS] [PS 19 abr 2022] Recomiendo leer a Adam Falkowski (Jester @Resonaances), «How large is the W boson anomaly» Résonaances, 19 Apr 2022; Oz Amram, «Too Massive? New measurement of the W boson’s mass sparks intrigue,» Particle Bites, 14 Apr 2022; Sam Bright-Thonney, «A Massive W for CDF,» Particle Bites, 14 Apr 2022. [/PS]

Por cierto, me ha gustado la pieza de Matthias Schott (miembro de ATLAS y del equipo que estimó la masa del bosón W con sus datos), «Do we have finally found new physics with the latest W boson mass measurement?» Physics, Life and all the Rest, 07 Apr 2022. Nos comenta que el generador de eventos ResBos(∗) (que usa técnicas de resumado, a diferencia de Pythia que usa técnicas de Montecarlo), que ha sido usado por CDF II en su análisis, ha mostrado ciertos problemas al describir las correlaciones entre los espines de los bosones W en colisiones hadrónicas (su fuente es su colega Maarten Boonekamp). Más aún, hay diferencias notables entre las predicciones para estas colisiones de ResBos y de su nueva versión ResBos2 (y otros programas como Pythia). Una estimación de su posible efecto sobre la medida de la masa publicada en Science apunta a un cambio en la masa de unos 50 MeV/c², un efecto casi un orden de magnitud mayor que la incertidumbre sistemática reportada (6.9 MeV/c²). Sin lugar a dudas, antes de pensar en nueva física, hay que revisar con detalle la estimación de la masa realizada y descartar que no haya sesgos sistemáticos que han pasado desapercibidos por los 398 miembros de la colaboración CDF II.

(∗) En los comentarios, Pavel Nadolsky, uno de los autores de ResBos, que aparece en los agradecimientos del artículo de Science, nos comenta que el uso de ResBos (o ResBos 2) no puede ser la causa del resultado anómalo obtenido por CDF II. Además, nos destaca que el valor anormalmente alto para la masa del bosón W obtenido por CDF es resultado de la combinación de seis canales independientes (como se muestra en esta tabla), cada uno con incertidumbres sistemáticas diferentes; esto excluye que la razón sea un efecto sistemático que influya en unos canales, pero que no influya en los demás. Además, para entender las enormes dificultades en la estimación de la masa del bosón W nos recomienda su artículo Pavel M. Nadolsky, «Theory of W and Z boson production,» AIP Conf. Proc. 753: 158-170 (2005), doi: https://doi.org/10.1063/1.1896698, arXiv:hep-ph/0412146 (10 Dec 2004).ç

Por cierto, Matthias Schott en su pieza Physics, Life and all the Rest, 07 Apr 2022 también nos comenta una anécdota que ilustra la enorme dificultad en estimar la masa del bosón W. Siendo miembro del equipo de ATLAS que estimó dicha masa (empezaron en 2012 y tardaron 5 años) observaron una anomalía que no eran capaces de explicar. Tras mucho bregar desvelaron un posible causa, los protones que chocan en el detector ATLAS no están perfectamente alineados, sino que lo hacen con un ángulo muy pequeño (para que los protones que no choquen continúen si viaje por el túnel del LHC). Pero resultó que este efecto en lugar de reducir la anomalía la incrementaba. A la desesperada se dieron cuenta de que la causa última de la anomalía era la deformación del detector ATLAS por su propio peso  (más de 7000 toneladas) a lo largo del tiempo. El envejecimiento de un detector es un efecto que hay que tener en cuenta en la estimación de la masa del bosón W. ¿Afecta también al detector CDF? ¿Ha sido tenido en cuenta en el análisis publicado en Science? El artículo no dice nada al respecto.

Una cuestión que ha surgido en redes sociales, ¿por qué CDF II no mide la masa del bosón Z para ver si también es anómala? La respuesta es sencilla, ya la han medido y no es anómala. En concreto, durante la calibración de los métodos de análisis midieron la masa del bosón Z usando desintegraciones en dos electrones (Z → ee) obteniendo 91194.3 ± 13.8 ± 7.6 MeV/c², a solo 0.4 sigmas de la predicción del modelo estándar  (91187.6 ± 21 MeV/c² en el PDG 2020 [PDF]); y usando desintegraciones en dos muones (Z → μμ) se ha obtenido 91192.0 ± 6.4 ± 4.0 MeV/c², que es la mejor determinación de la masa del bosón Z obtenida hasta ahora con un colisionador de hadrones. Esto nos sirve para recordar que la gran dificultad de la medida de la masa del bosón W± es que se desintegra en un leptón cargado ℓ± (electrón, muón o tau), lo único que se observa, y un leptón neutro ν0 (neutrino correspondiente), que es imposible de observar (solo se detecta una pérdida de energía en la colisión).

Otra cuestión que ha surgido es por qué un cambio tan pequeño en masa (un incremento de ~0.1 %) genera tantas dudas. La razón es que la masa del bosón W depende de la constante de acoplamiento electrodébil g (MW = v g / 2, donde v es la energía de vacío del campo de Higgs). Modificar la masa del W implica cambiar el valor de dicha constante de acoplamiento, lo que implica cambios en todas las interacciones electrodébiles; en los últimos 30 años de estudio intenso de esta interacción no se han observado indicios de dicho cambio (y tendrían que haber sido observados). Todo ello apunta a una estimación incorrecta de la masa del bosón W (a pesar de que la causa tiene que ser muy sutil y estar muy escondida en el titánico análisis que ha realizado la colaboración CDF).

[PS 09 abr 2022] Recomiendo leer a Tommaso Dorigo, «Is The CDF W Mass Measurement A Nail In The SM Coffin? No,» A Quantum Diaries Survivor, 09 Apr 2022. Dorigo trabajó en CDF hasta 2012, como nos contó en su recomendable libro «Anomaly! Collider Physics And The Quest For New Phenomena At Fermilab,» World Scientific (2016). Nos destaca, que la masa medida usando muones es mayor que la medida con electrones (como ilustra la tabla de más arriba). En concreto, en los tres canales de electrones se obtiene 80424.6 ± 13.2 MeV/c² y en los tres de muones 80437.9 ± 11.0 MeV/c², valores que se deben comparar con el resultado final usando los seis canales de 80433.5 ± 9.4 MeV/c²; en ambos casos el valor obtenido está por encima de la predicción del modelo estándar 80357 ± 6 MeV/c².

También nos destaca que en la calibración de los calorímetros de muones (mostrada en la figura) se ha usado un ajuste por un valor constante (línea horizontal con Δp/p = −1.4), cuando a todas luces los datos tienen mucha dispersión; en palabras de Dorigo, dicho ajuste es un poco sospechoso («it is a bit suspicious to my eyes»). Nos propone imaginar una línea recta entre 0 y 0.3, y un valor constante entre 0.3 y 0.5; en dicho caso se podría incurrir en un error de hasta una parte en diez miel, es decir, unos 8 MeV/c² en la masa del bosón W, que podría explicar el valor anormalmente alto obtenido. Por supuesto, para confirmar la intuición de Dorigo se requiere un análisis estadístico detallado. En mi opinión, lo más relevante ese que hay muchos detalles en el análisis que podrían ocultar sesgos cuyo rol en el resultado final debe será clarificado en el futuro.

Fuente: figuras de Tommaso Dorigo en la presentación de Ashutosh Kotwal del resultado de CDF II en el Fermilab.

Como curiosidad, que yo ignoraba, Dorigo nos dice que es el autor de estas figuras usadas por Ashutosh Kotwal en su presentación del resultado de CDF II en un seminario en el Fermilab ayer [Slides PDF]. Debo confesar que yo las había visto varias veces pero ignoraba quién era el autor original. La figura a la izquierda muestra un esquema de lo que se observa en un evento de tipo bosón W → eν, con el pico rojo indicando la señal en los calorímetros electromagnéticos, en verde la señal de retroceso hadrónico en los calorímetros hadrónicos y en azul la energía perdida asociada al neutrino. La figura de la derecha muestra el resultado análogo para un evento W → μν, con el muón detectado en las cámaras de muones.

Para los que no recuerden la estructura en capas del detector CDF en el Tevatrón incluyo esta figura que incluye los seguidores de trayectorias (COT), los calorímetros electromagnéticos (EM), los calorímetros hadrónicos y las cámaras de detección de muones. Esta estructura en capas es común a la mayoría de los detectores de partículas. [/PS]

En resumen, muchos medios se han hecho eco de este resultado apuntando a que hay que modificar el modelo estándar para ajustarlo; sin embargo, el punto que yo quiero resaltar es el opuesto, que hay que primero hay que confirmar que este resultado no sea debido a sesgos sutiles en el análisis (que es muy complicado y por ello propenso a sesgos inadvertidos). Desvelar la causa de que la medida de la masa del bosón W obtenida por CDF II sea más alta de lo mostrado por otros detectores puede costar muchos años de trabajo, pero es necesario emprender esta ardua tarea antes de modificar el modelo estándar. Habrá que estar al tanto de los progresos en esta línea.



15 Comentarios

  1. Gracias Francis. Acabo de ver la noticia en un periódico y he venido a este sitio para saber realmente de qué se trata. Este caso me recuerda la metedura de pata de aquellos científicos italianos que creyeron haber descubierto neutrinos superlumínicos allá por 2011.

    1. Bueno, hoy mismo preguntaba sobre este asunto en otra parte del blog, sospechando que una desviación tan grande probablemente escondía algún error en las estimaciones.

      En pocos meses tendremos respuestas y una revisión de los cálculos. Lo que me deja a cuadros es el ruido en los medios ante un supuesto hallazgo sin verificar… Y el contraste con el absoluto silencio de esos medios con la corrección posterior.

      Lo que me gustaría preguntar es cómo es posible que se publique en Nature? No ha pasado por una revisión por pares? A nadie le ha parecido extraño que el resultado esté tan desviado con respecto a los valores de los experimentos anteriores?

      SalU2

      1. Sagutxo, se ha publicado en Science, pero es lo mismo; en este tipo de artículos (firmados por cientos o miles de investigadores) la revisión por pares suele resultar irrelevante (es prácticamente imposible que un revisor vea un error que no haya sido visto por los autores). Ante este tipo de análisis tan complicados (los datos estudiados son anteriores a 2012) es imposible que un revisor pueda entender todos los detalles del análisis y encontrar algún resquicio que haya pasado inadvertido por los autores.

    2. Creo recordar que aquellos italianos fueron mucho más prudentes, presentaron los datos a la vez que mostraban sus dudas y solicitaban ayuda para encontrar la fuente del error. Se les vapuleó.

      1. Antonio, el artículo de OPERA apareció como preprint en septiembre de 2011 (ninguna revista prestigiosa hubiera aceptado un artículo con dicha afirmación) y no se publicó en ninguna hasta que se resolvió el problema (se publicó en JHEP en octubre de 2012).

  2. Cuesta creer la incompatibilidad entre los resultados del 2021 del LHC y estos. Es cómo si todo lo hecho en las últimas dos décadas estuviera mal.

    1. Francis, muchas gracias por tu explicación. Me gustaría mucho sugerir que la cuadrilla de Cofee Break hablarais del tema más extensamente. Me gustaría saber más detalles y qué proceso se llevaría a cabo para detectar un posible error o un sesgo en el análisis de los datos para llegar a esa masa tan desviada con un margen de error aparentemente pequeño. Las autocorrecciones en Ciencia son la mejor manera de entender cómo funciona.

      Por cierto, el programa donde defendiste el fuerte en solitario con Héctor, mano a mano, fue muy bueno. Impaciente por escuchar el próximo podcast. Gracias y salU2

  3. Gracias Francis por el comentario valiente. No te crees el resultado. Yo quiero creer porque la supersimetría sería la explicación de la materia oscura hecha de bosones. Hace algo de tiempo leí de un agujero negro que no cumplía las leyes de ser la unión de dos estrellas bariónicas y había una teoría de que se había formado por la unión de dos estrellas de bosones. Habrá que esperar que otros experimentos confirmen o rechacen la discrepancia en la masa del bosón W.

  4. Francis, thank you for sharing your opinion. I am one of the authors of the ResBos version used in the CDF analysis. Resummation of multiple parton radiation cannot explain the CDF Run-2 result as you have stated. Resummation only tangibly affects the transverse momentum distributions of final-state leptons. The main constraints in the CDF M_W measurement (60%) are imposed by leptonic transverse momentum mass distributions, which are by construction nearly insensitive to the transverse momentum dependence (hence, are not affected by resummation). The CDF collaboration reports elevated and mutually consistent values of M_W obtained in 6 independent channels which have different systematics. This consistency disfavors an explanation by mismodelling of some dynamics, which would affect some channels but not the others. For a short introduction to the theory of these measurements, which explains why the most obvious explanations by mismodelled systematics are disfavored, allow me to suggest an old, but still relevant preprint hep-ph/0412146.
    .
    [EDITED BY FRANCIS] La referencia completa es Pavel M. Nadolsky, «Theory of W and Z boson production,» AIP Conf. Proc. 753: 158-170 (2005), doi: https://doi.org/10.1063/1.1896698, arXiv:hep-ph/0412146 (10 Dec 2004). [/EDITED]

  5. Lógico que se estén buscando fallos al modelo estándar de partículas con resultados así. Es cómo funciona la ciencia.

    Veremos que acaba pasando. Si es señal de nueva física sería excitante.

    1. U-95, recuerda que si fuera una señal de nueva física hubiera venido acompañada de múltiples señales en los tests de precisión del modelo estándar (que son test de precisión de la interacción electrodébil) realizados en las últimas décadas. De hecho, los teóricos lo van a tener muy difícil; explicar una anomalía en la masa del W como la de CDF II sin tocar ninguno de los tests de precisión raya la imposible (la masa del bosón W está directamente relacionada el acoplamiento electrodébil, un cambio en este cimiento básico del modelo estándar afecta a todo el edificio y tendría que haberse observado ya).

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