La gran noticia en física de partículas del año 2022 fue que «el detector CDF II del Tevatron estimó una masa del bosón W que está a 7 sigmas del modelo estándar» (LCMF, 08 abr 2022). Se esperaban con ansia nuevas medidas de ATLAS, CMS y LHCb, aunque muchos nos temíamos que serían compatibles con el modelo estándar. Se acaba de anunciar en Moriond 2023 la nueva medida de ATLAS de la masa del bosón W, 80360 ± 5 (est.) ± 15 (sist.) MeV/c² = 80360 ± 16 MeV/c², gracias a un reanálisis de los 4.6 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. obtenidas en 2011 (LHC Run 1); con estos mismos datos ATLAS publicó en 2017 una estimación de 80370 ± 19 MeV/c². Por supuesto, todos deseábamos que se hubiera publicado la estimación usando todas las colisiones del LHC Run 1 (incluyendo las colisiones a 8 TeV c.m. obtenidas en 2012). Este tipo de estimaciones en colisionadores hadrónicos es muy complicada, pero seguro que se está trabajando con ahínco para lograrla.
La nueva estimación de la masa del bosón W es todavía preliminar (el artículo final aún está en preparación, aunque el resultado no cambiará). Este tipo de análisis es muy complicado en un colisionador hadrónico (como el LHC) porque requiere estudiar desintegraciones leptónicas del bosón W en un leptón cargado (que se detecta) y un neutrino (que no se detecta, pero se infiere a partir de energía-momento faltante). Para la nueva estimación se han identificado los mismos sucesos que ya se usaron en 2017, en concreto, 58.9 millones de sucesos candidatos a desintegración 𝑊 → 𝑒𝜈, y 7.84 millones de sucesos a 𝑊 → 𝜇𝜈 (la técnica de selección usada es nueva, aunque similar y ha conducido a los mismos candidatos). La gran diferencia entre el nuevo análisis y el anterior es que se ha usado una nueva técnica de ajuste de los datos, llamada contraste basado en perfiles de verosimilitud (PLH, por profile likelihood test); con esta técnica se permite que la mediana de la estimación cambie, lo que ha conducido a que una bajada en 10 MeV/c². Además, se han reducido los errores estadísticos y sistemáticos usando nuevas estimaciones del fondo, nuevas calibraciones y gran número de mejoras; así se ha logrado reducir la incertidumbre de 19 a 16 MeV/c².
Como es obvio, volver a analizar los mismos datos ofrece un cambio pequeño, que además refuerza la estimación del modelo estándar. Los aficionados a la nueva física desearían justo lo opuesto. Habrá que estar pendientes de las nuevas estimaciones de CMS y LHCb. Pero, por ahora, todo apunta a que mis dudas sobre la extraordinaria estimación de CDF II siguen firmes. El nuevo resultado se ha publicado en The ATLAS collaboration, «Improved W boson Mass Measurement using 7 TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector,» ATLAS-CONF-2023-004 (23 Mar 2023) [CERN CDS]; Matthias Schott (on behalf of the ATLAS Collaboration), «News on the W Boson Mass from the ATLAS Experiment,» 57th Recontres de Moriond – EW+U 2023 (23 Mar 2023) [indico]. La estimación anterior, con los mismos datos, es The ATLAS collaboration, «Measurement of the W-boson mass in pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector,» The European Physical Journal C 78: 110 (2018) , doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5475-4, arXiv:1701.07240 [hep-ex] (25 Jan 2017).
Más información divulgativa en «New ATLAS result weighs in on the W boson,» ATLAS Collaboration (23 Mar 2023) [web]; Jennifer Ouellette, «New value for W boson mass dims 2022 hints of physics beyond Standard Model,» Ars Technica, 24 mar 2023. Recomiendo la relectura de mis piezas «El detector CDF II del Tevatron mide una masa del bosón W que está a 7 sigmas del modelo estándar,» LCMF, 08 abr 2022; «Mi charla #NaukasBilbao22: «El bosón que engordó en EEUU»», LCMF, 16 sep 2022.
[PS] Por cierto, el pasado enero se publicó en arXiv un análisis bayesiano para estimar la masa del bosón W teniendo en cuenta todos los resultados disponibles (incluyendo el de CDF II a 7 sigmas del modelo estándar); el resultado del análisis (se usaron varias variantes de las probabilidades a priori) resultó ser un resultado que discrepa a menos de 3 sigmas del modelo estándar; con la nueva medida de ATLAS dicho discrepancia se reduciría un poco. Para los interesados, el artículo es Aaseesh Rallapalli, Shantanu Desai, «Bayesian inference of W-boson mass,» arXiv:2301.09557 [hep-ex] (23 Jan 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.09557. [/PS]
Esta figura muestra un suceso candidato a desintegración 𝑊 → 𝜇𝜈, es decir, un bosón W que se desintegra en un muón (que se observa gracias a las cámaras de muones) y un neutrino muónico (que no se observa, pero se infiere por conservación de la energía y momento lineal, ilustrado con una flecha roja). La reconstrucción cinemática de este suceso permite estimar un momento lineal transversal del muón de 36 GeV/c y una energía transversal perdida del neutrino de 35 GeV; como resultado la masa transversal del candidato a bosón W sería de 71 GeV/c². Recuerda que en los colisionadores el momento lineal se calcula en coordenadas esféricas modificadas como p = (pT, η, φ), donde pT es la componente transversal (perpendicular a la dirección de los haces de protones que colisionan), η es la llamada pseudorrapidez (η=−log tan(θ/2), determinada por el ángulo polar θ, que se prefiere porque los detectores tienen forma cilíndrica) y φ es el ángulo acimutal. En la selección de sucesos, los electrones candidatos cumplen pT > 15 GeV/c y |𝜂| < 2.4, mientras los muones candidatos cumplen pT > 20 GeV y |𝜂| < 2.4.
El acuerdo entre las estimaciones de las masas del bosón W y del quark top con las del mejor ajuste de la teoría electrodébil es excelente. Por supuesto, nos gustaría observar desviaciones que auguraran nueva física más allá del modelo estándar. Así que habrá que estar al tanto de las futuras estimaciones de la masa del bosón W de CMS, LHCb y el propio ATLAS.
Saludos Francis, mi opinión totalmente personal y trivial, confirmar el modelo estándar con experimentos construidos deacuerdo al modelo estándar es un profundo ejercicio de sesgo de confirmación, validez, etc. No es necesario que aparezca nueva física en este proceso de confirmación circular del modelo estándar.
Pedro, no sé si eres consciente de que toda la nueva física que ha aparecido en los últimos siglos lo ha hecho gracias a experimentos construidos de acuerdo con la física conocida hasta el momento de su construcción. Y, además, que es imposible construir experimentos de acuerdo con la física que aún no se conoce. Obviamente, hay serendipias, pero por definición son imposibles de predecir. Y esto ocurre en todas las ciencias, no solo en la física.
Por cierto, el LHC se construyó de acuerdo con la física conocida, pero explora un rango de energía que nunca antes fue explorado. Asumir a priori que la exploración de lo desconocido solo puede conducir a confirmar lo conocido contradice toda la historia de la ciencia.
Francis, la nueva física que ha aparecido en los últimos siglos no corresponde al concepto de «nueva física» fuera del paradigma de consenso que se espera descubrir.
No he dicho que el LHC no pueda evidenciar la necesidad de «nueva física» fuera del paradigma, estrictamente he dicho que utilizar el LHC para confirmar el modelo estándar es una confirmación circular.
No todos los problemas se pueden resolver o demostrar de manera circular. Tampoco conocemos el espacio de todas las demostraciones posibles en matemáticas, mucho menos en física.
Hola Pedro:
Me gustaría mucho que sugieras un experimento concreto que no «esté de acuerdo» con el SM, que no esté basado en la Física conocida y que según tu punto de vista esté libre de sesgo y no sea una confirmación circular. La ansiedad por conocer tu propuesta me corroe. La ouija no vale, pillín 😜
Hola Pedro.
El paradigma de ensayos básicamente es el siguiente:
Predecir -> medir -> validar
Lo que tu planteas no es imposible, pero implica desarrollar modelos nuevos. Eso ocurre todos los días, se suelen hacer simulaciones, ensayos limitados… Y según va apareciendo consenso de la comunidad científica se solicita financiación cada vez a mayor escala.
Es decir.
Sí, tienes razón, lo que tu planteas es correcto y así es como se actúa.
Pero no, no tienes razón al sugerir que habría que hacerlo con la primera idea feliz que se le ocurre a alguien. Al menos así opino yo…
Pedro, supongo que eres consciente de que a principio del siglo XX hubo una serie de descubrimientos que de forma clara fueron nueva Física y que estaban fuera de los paradigmas existentes en aquel momento. Eso contradice tu afirmación sobre que en «los últimos siglos» no ha habido ningún descubrimiento que haya roto los moldes.
Supongo que también eres consciente de que los test de precisión del SM se hacen no solo para validarlo, sino para buscar desviaciones que pudieran conducir a nueva Física. En el pasado eso ha conducido a descubrimientos que estaban fuera de los paradigmas existentes en ese momento. Si no se hubiera hecho experimentos sobre el «éter» o sobre la radiación de un cuerpo negro, nadie hubiera descubierto inesperadas anomalías que a la postre llevaron a hallazgos revolucionarios, diferenciados de la mecánica de Newton, el electromagnetismo de Maxwell o la termodinámica de Boltzmann. En cualquier libro de Historia de la Ciencia te lo relatan con más detalle.
Sagutxo, te equivocas en varios puntos, no todos los experimentos confirman el modelo estándar. Muchos discrepan en algunas predicciones, aquí mismo habrás visto varias piezas de Francis sobre ello que terminan con un clásico «»esperemos a ver que dicen nuevos experimentos».
Dicho lo anterior, lo que podemos asegurar de los experimentos que confirman el modelo estándar es que han sido construidos deacuedo al modelo estándar. Esto podrá doler más o menos pero es lo que hay.
El otro punto es que afirmas que la física que hemos ido descubriendo en los últimos siglos cuenta como «nueva física» en el sentido de romper los principios más fundamentales que SIEMPRE hemos usado para hacer física. Desde luego que en ese sentido jamás hemos hecho «nueva física» y simplemente estamos extendiendo la vieja física.
Osea que la comunidad cientifica se esta gastando absurdas cantidades de dinero y tiempo solo para complacer a su sesgo de confirmación.
Entonces habrá que preguntarle a Chat GPT para que ponga nuevas ideas sobre la mesa.
Me leí todos los comentarios en la clase de informática, tremendo
Qué tal Francis, veo que de nuevo te has vuelto a interesar por noticias del LHC, lo que a mí personalmente me parece genial.
El otro día esta noticia y, la verdad, no sé muy bien qué puede llegar a significar este descubrimiento o cuál es su importancia, pero parece que todo el mundo da palmas por la posible aparición de física más allá de SM.
https://www.agenciasinc.es/Noticias/Observado-en-el-LHC-un-raro-proceso-con-las-particulas-mas-masivas-conocidas
José, escribiré una pieza… pero esto no es nada exótico, sino algo esperado. Se ha observado la producción de cuatro quarks top en una colisión del LHC. Este tipo de sucesos es muy raro y permitirá en un futuro estudiar posible física más allá del modelo estándar, que modificaría el número de estos sucesos. Pero por ahora solo tenemos una observación que confirma el modelo estándar.
A mí me parece que esto ya es cierta desesperación por publicar usando datos que están trilladísimos.
No digo que no sea útil afinar los métodos de análisis pero pretender resolver una anomalía así a base de «fine tuning» de las estimaciones es algo forzado.
Que diseñen otro experimento o que hagan una máquina más grande y se dejen de rascar en el fondo del frasco.
NoTengoNiIdea, una máquina más grande no estará disponible hasta 2050, como pronto; el diseño de un nuevo experimento ya se ha hecho, en la última parada larga (LS2) del LHC se hicieron grandes mejoras en los detectores de ATLAS y CMS. Solo hay que esperar a que se puedan analizar sus datos de colisiones; pero como son a mayor energía, la estimación de la masa del bosón W es más complicada y no preveo que se pueda mejorar mucho (la clave es el análisis de las colisiones a 8 TeV).
Para decidir de forma definitiva la cuestión sobre la masa del W lo ideal es un nuevo colisionador leptónico. China ha apostado fuerte por el CEPC que debería ver la luz en la década de 2030 (https://francis.naukas.com/2018/09/18/cepc-el-colisionador-circular-chino-de-100-km-de-longitud-que-estudiara-el-boson-de-higgs/). Dicho colisionador obtendrá estimaciones de muy alta precisión de las masas de los bosones W, Z y Higgs, y del quark top.
¿No darían resultados distintos si se aumentaran los TeV a los 11 que creo que hay ahora?
Sergio G, ahora las colisiones son a 13.5 TeV (por su diseño, el máximo alcanzable en el LHC es 14 TeV); en el LHC Run 1 fueron 7 TeV y 8 TeV (ideales para descubrir el Higgs); en el LHC Run 2 fueron 13 TeV (por razones de seguridad no se pudieron alcanzar los 14 TeV de diseño).
Se espera un nuevo resultado para 8 TeV y el resultado combinado a 7 TeV y 8 TeV; no se espera un resultado para colisiones a 13 TeV, pero en su caso tendrá una incertidumbre mucho mayor. Obviamente, cualquier nuevo resultado será distinto, pero se espera que a mayor número de colisiones se obtendrán un resultado más preciso; el problema es que para la estimación de la masa del W una mayor energía implica una incertidumbre mayor; así que hay que jugar con un compromiso entre estadística y energía. Por ello se espera que el resultado más preciso sea el obtenido con el LHC Run 1.