Αυστηροί περιορισμοί στη σκοτεινή ύλη από το CMS

Παρότι είναι ευρέως αποδεκτή πλέον ως η φυσική εξήγηση για τις παρατηρούμενες ιδιότητες του σύμπαντος μας, η σκοτεινή ύλη παραμένει ακόμα μία βαθύτατα μυστηριώδης οντότητα. Υπάρχουν, κυριολεκτικά, δεκάδες υποψηφιότητες για να εξηγηθεί η φύση της, σε τελείως διαφορετικές κλίμακες μεγέθους, από υποατομικά σωματίδια μέχρι αρχέγονες μαύρες τρύπες και παραπέρα. Για τους σωματιδιακούς φυσικούς είναι, βέβαια, φυσικό να υποθέσουν πως η σκοτεινή ύλη είναι όντως ένα σωματίδιο, το οποίο και δεν έχουμε βρει μέχρι σήμερα. Έχουμε όμως στη διάθεση μας ένα σφυρί, και αυτό μοιάζει με καρφί.

Πράγματι, οι έρευνες για σκοτεινή ύλη σε επιταχυντές σωματιδίων έχουν ανθίσει στις μέρες μας. Ρόλο σε αυτό έχει παίξει και το γεγονός πως υπάρχει ένα είδος “κοσμικής σύμπτωσης” μεταξύ της αφθονίας ενός υποθετικού ασθενώς αλληλεπιδρώντος σωματιδίου που χρειάζεται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ποσότητα σκοτεινής ύλης στο σύμπαν και της αφθονίας με την οποία θα είχε παραχθεί αυτό κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, εφόσον η μάζα του σωματιδίου είναι μερικές εκατοντάδες GeV (μαζί και με κάποια άλλα χαρακτηριστικά που εναρμονίζονται με τον χαρακτηρισμό του σωματιδίου ως σκοτεινή ύλη, όπως η ασθενής αλληλεπίδραση με τη συνήθη ύλη). Και μερικές εκατοντάδες GeV είναι σήμερα βούτυρο στο ψωμί για τα πειράματα του LHC!

Ένα ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο με την παραπάνω μάζα που παρήχθη σε αφθονία κατά τη Μεγάλη Έκρηξη και που είναι απόλυτα σταθερό (έτσι ώστε να έχει παραμείνει γύρω μας τα τελευταία 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια) θα μπορούσε κάλλιστα να είναι το νετραλίνο, το ελαφρύτερο σωματίδιο που προβλέπεται από τις υπερσυμμετρικές θεωρίες.

Εάν η Υπερσυμμετρία είναι η σωστή επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, και εάν μία ποσότητα με το όνομα “R-ομοτιμία (R-parity)” διατηρείται (υπάρχουν λόγοι να πιστεύουμε πως κάτι τέτοιο θα πρέπει να συμβαίνει, όπως για παράδειγμα το γεγονός πως τα πρωτόνια είναι πολύ σταθερά φυσικά συστήματα, ενώ η παραβίαση της R-ομοτιμίας θα μπορούσε να δώσει διάσπαση πρωτονίου), τότε το νετραλίνο είναι μία αναγκαία συνέπεια, και όλα ταιριάζουν μεταξύ τους πολύ ωραία. Αλλά ένα βαρύ, ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο δεν προκύπτει αποκλειστικά και μόνο από υπερσυμμετρικές θεωρίες, οπότε κανείς μπορεί να ψάξει σε ένα πιο γενικό πλαίσιο. Θα μπορούσαμε να πούμε πως οι συγκρούσεις στον LHC μπορούν να δώσουν ζεύγη τέτοιων σωματιδίων, τα οποία και θα διέφευγαν του ανιχνευτή χωρίς να αφήσουν πίσω τους κάποιο ενεργειακό απόθεμα και να εξετάσουμε τις συνέπειες μιας τέτοιας υπόθεσης.

Ένας ωραίος τρόπος για να ανιχνεύσεις μία τόσο φευγαλέα διαδικασία είναι να βασιστείς στο γεγονός πως κάθε αδρονική σύγκρουση υψηλής ενέργειας παράγει, εκτός από την “hard subprocess” – ας πούμε μία εξαΰλωση κουάρκ-αντικουάρκ που δίνει ζεύγος σωματιδίων σκοτεινής ύλης -, και κάτι το οποίο ονομάζουμε “ακτινοβολία αρχικής κατάστασης (initial state radiation)”. Με άλλα λόγια, τα συγκρουόμενα σωμάτια, συχνά, χάνουν κάποια ενέργεια προτού εξαϋλωθούν ή σκεδαστούν. Η ενέργεια αυτή μερικές φορές εκπέμπεται υπό τη μορφή ενός μόνο ενεργητικού φωτονίου και αυτό, σε αντίθεση με τα σωματίδια σκοτεινής ύλης, μπορεί να ανιχνευθεί. Έτσι το γεγονός δεν είναι πλέον εντελώς “αόρατο”!

Η πειραματική υπογραφή περιλαμβάνει την παρατήρηση ενός ενεργητικού φωτονίου που ανακρούεται από… τίποτα απολύτως: το ζεύγος των σωματιδίων σκοτεινής ενέργειας κουβαλάει μία ποσότητα ορμής και αυτό προδίδει την παρουσία του, παρά το ότι διέφυγε του ανιχνευτή. Γεγονότα με ένα φωτόνιο και τη λεγόμενη “ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια” (για την ακρίβεια ελλείπουσα εγκάρσια ορμή, αλλά αυτά τα δύο είναι σε πειραματικό επίπεδο ταυτόσημα) προκύπτουν από διαδικασίες εντός του καθιερωμένου προτύπου, αλλά είναι σχετικά σπάνιες, με αποτέλεσμα ακόμα και ένα ασθενές σήμα παραγωγής σκοτεινής ενέργειας σε ζεύγη να μπορεί να ανιχνευθεί ως πλεόνασμα.

Δείτε τώρα στα δεξιά το φάσμα της ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας που παρήχθη από το CMS από τα 20 inverse femtobarns δεδομένων συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου στα 8 TeV. Τα δεδομένα που ελήφθησαν (μαύρα σημεία) ακολουθούν με μεγάλη ακρίβεια τις προβλέψεις για τα υπόβαθρα του ΚΠ ακόμη και για πολύ μεγάλες τιμές ελλείπουσας ενέργειας, το οποίο υποδηλώνει πως δεν μπορεί να υποτεθεί κάποιο σήμα σκοτεινής ύλης ή παρόμοιων οντοτήτων. Στο γράφημα συμπεριλαμβάνεται και ως παράδειγμα ένα άδειο μπλε ιστόγραμμα το οποίο αντιστοιχεί στη συνεισφορά που θα είχε στα δεδομένα ένα σωματίδιο σκοτεινής ενέργειας, για συγκεκριμένες τιμές της μάζας του. (Το διάγραμμα επίσης περιλαμβάνει και το υποθετικό σήμα από unparticles και μεγάλες επιπλέον διαστάσεις, αλλά αυτά είναι άλλου είδους θηρία και δεν θα τα αναλύσω εδώ).

Από την απουσία κάποιου σήματος, το  CMS εξάγει ανώτατα όρια για την ενεργό διατομή αλληλεπιδράσεων σκοτεινής ύλης με νουκλεόνια, σαν συνάρτηση της υποθετικής μάζας της σκοτεινής ύλης. Αυτά συγκρίνονται με άλλα άνω όρια τα οποία προσδιορίστηκαν παλαιότερα από απευθείας έρευνες και η συνολική εικόνα φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Σημειώστε πως τα όρια του CMS από την έρευνα που περιγράψαμε παραπάνω (με την ετικέτα “8 TeV”, η κόκκινη και η ροζ γραμμή) εξαρτώνται από το είδος της σύζευξης των σωματιδίων σκοτεινής ύλης με τη συνήθη ύλη: μία vector coupling θα είχε ως αποτέλεσμα το ασθενέστερο όριο με το κόκκινο χρώμα, ενώ μία scalar coupling θα έδινε το πολύ πιο ισχυρό όριο με το ροζ.

Για περισσότερες λεπτομέρειες πάνω στην έρευνα του CMS μπορείτε να δείτε το preprint εδώ.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/tight_constraints_on_dark_matter_from_cms-142781
18 Αυγούστου 2014

Posted in LHC | Tagged , | 1 σχόλιο

Σήμα Υπερσυμμετρίας στον LHC; To CMS βλέπει πλεόνασμα 2.6 σίγμα!

Τις προάλλες έγραψα ένα άρθρο όπου αναφέρθηκα στις μειωμένες προσδοκίες που υπάρχουν από τους υποστηρικτές της Υπερσυμμετρίας, οι οποίοι απ’ ότι φαίνεται περιμένουν να βρουν φαινόμενα επιπέδου 2 σίγμα στα δεδομένα από την επόμενη περίοδο λειτουργίας του LHC. Κάτι τέτοιο θα κρατήσει ζωντανές τις ελπίδες τους, όπως δείχνουν τα πράγματα.

Δεν θα είχα πρόβλημα να τους αφήσω να περιμένουν μέχρι τα τέλη του 2015, όταν και θα έχουμε κοιτάξει τα πρώτα inverse femtobarns συγκρούσεων σε ενέργειες 13 TeV, αλλά συνέβη σήμερα κάτι που με έκανε να αλλάξω γνώμη. Ένας συνάδελφος επεσήμανε στα σχόλια ενός άρθρου μου, πως τα πειράματα του LHC, γενικά, δεν δημοσιεύουν πλεονάσματα επιπέδου 2 και 3 σίγμα, περιμένοντας περισσότερα δεδομένα τα οποία και θα “εξολοθρεύσουν” τη διακύμανση. Αυτός είναι ένας θαρραλέος (και μάλλον αβάσιμος) ισχυρισμός!

Έτσι, λοιπόν, αποφάσισα να κάνω χαρούμενους σήμερα τους υποστηρικτές της υπερσυμμετρίας, αναρτώντας ένα κείμενο εδώ για ένα πολύ πρόσφατο αποτέλεσμα έρευνας του CMS για μία “αιχμή (edge)” σε διλεπτονικά γεγονότα, η οποία περιλαμβάνει φαινόμενο σημαντικότητας 2.6 τυπικών αποκλίσεων. Θα αναρωτιέστε, όμως, τι είναι αυτή η “αιχμή”. Καλή απορία, οπότε επιτρέψτε μου να προσπαθήσω να το εξηγήσω.

Η παραγωγή υπερσυμμετρικών σωματιδίων σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου αναμένεται να γίνεται σε ζεύγη. Κάθε ένα από τα δύο αυτά σωματίδια πιστεύεται γενικά πως παράγει μία αλυσίδα διασπάσεων κατά τις οποίες εκπέμπεται ένα σωμάτιο που ανήκει στο Καθιερωμένο Πρότυπο και το υπερσυμμετρικό σωματίδιο μετατρέπεται σε ένα ελαφρύτερο, επίσης όμως υπερσυμμετρικό, έτσι ώστε να διατηρείται μία ποσότητα που χαρακτηρίζει τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Στο τέλος της αλυσίδας βρίσκει κανείς συνήθως, εκτός όλων των άλλων παραγόμενων σωματιδίων, ένα νετραλίνο. Το νετραλίνο είναι ένα σταθερό σωματίδιο το οποίο διαφεύγει από τον ανιχνευτή χωρίς να εντοπιστεί, αφήνοντας πίσω του μία υπογραφή ελλείπουσας ενέργειας, μία ενεργειακή ανισορροπία στο επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση των δεσμών πρωτονίων.

Τώρα, ανάλογα με το ποια είναι η ιεράρχηση των μαζών των υπερσυμμετρικών σωματιδίων, η αλυσίδα των διασπάσεων μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την παρατήρηση φορτισμένων λεπτονίων και ελλείπουσας ενέργειας. Οι υπογραφές οι οποίες περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια και μιόνια είναι ιδιαίτερα χρήσιμες μιας και είναι σχετικά απαλλαγμένες από “άσχημα” υπόβαθρα ισχυρά αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Εάν υπολογίσει κανείς την αναλλοίωτη μάζα των ζευγών λεπτονίων που παρατηρούνται σε ένα γεγονός και το γεγονός αυτό είναι μέρος της αλυσίδας διασπάσεων υπερσυμμετρικών σωματιδίων, τότε τα δύο λεπτόνια μπορεί να εμφανίζουν μία μη γκαουσιανή κατανομή μάζας (αντίθετα, δηλαδή, με ό,τι θα περίμενε κανείς από έναν συνηθισμένο συντονισμό), αλλά μία κατανομή με ένα περίεργο σχήμα και με μία οξεία αιχμή στη μέγιστη τιμή της.

Ο λόγος για αυτό το παράξενο σχήμα είναι πως τα δύο λεπτόνια δεν προέρχονται από την ίδια διάσπαση, αλλά από τη διαδοχική διάσπαση δύο διαφορετικών υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Επομένως η αναλλοίωτη μάζα τους μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή, έως μία μέγιστη – δεν μπορούν να υπερβούν τη διαφορά μάζας των δύο υπερσυμμετρικών σωμάτων. Έτσι, για παράδειγμα, εάν το σωμάτιο Χ δώσει ηλεκτρόνιο και μετατραπεί στο σωμάτιο Υ, και εν συνεχεία το Υ εκπέμψει ένα μιόνιο και μετατραπεί σε Ζ, τότε η διαφορά μαζών X-Z είναι η μέγιστη που μπορεί να δώσει το ζεύγος ηλεκτρονίου-μιονίου.

Μία καθαρή αιχμή στη μάζα των ζευγών λεπτονίων θα αποτελούσε μία πολύ “χτυπητή” υπογραφή υπερσυμμετρικής αλυσίδας διασπάσεων. Και έτσι το CMS έψαξε για κάποιο ίχνος μιας τέτοιας δομής στα δεδομένα του. Η ανάλυση τους είναι πλέον δημοσιευμένη και μπορείτε να δείτε το βασικό διάγραμμα παρακάτω. Αυτό είναι η κατανομή αναλλοίωτης μάζας ζευγών ηλεκτρονίων ή ζευγών μιονίων σε γεγονότα τα οποία έχουν επιλεγεί ως υποψήφια για να περιέχουν το επιθυμητό σήμα με κάποιες απαιτήσεις για τους πίδακες και την ελλείπουσα ενέργεια. Η μπλε καμπύλη περιγράφει μία συνιστώσα του υποβάθρου, η κόκκινη αντιστοιχεί στη διαδικασία Z-> διλεπτονική κορυφή και το continuum background, ενώ η πράσινη καμπύλη δείχνει το σήμα το οποίο έχει μία τυπική τριγωνική δομή.

Εντυπωσιακό, έτσι δεν είναι;

Ναι, μόνο που, δυστυχώς, αστειεύομαι – το παραπάνω διάγραμμα είναι μία προσομοίωση Monte Carlo του πως θα φαίνονταν τα δεδομένα μας εάν είχαμε εκεί ένα σήμα υπερσυμμετρίας! Αλλιώς, δεν θα χρησιμοποιούσα τόσο ήπιους τόνους στο κείμενο. Θα μιλούσα για την ανακάλυψη του αιώνα! Όχι, τα πραγματικά δεδομένα του CMS φαίνονται από κάτω.


Όπως μπορείτε να δείτε, πάνω από το προβλεπόμενο υπόβαθρο, φαίνεται ένα πολύ μικρό πλεόνασμα τριγωνικού σχήματος στις χαμηλές αναλλοίωτες μάζες. Η σημαντικότητα του εκτιμάται πως είναι 2.6 σίγμα. Φυσικά, όπως εξήγησα στο προηγούμενο άρθρο (και δεν θα το ξανακάνω εδώ), δεν υπάρχει χώρος για ενθουσιασμό, αλλά είναι σε κάθε περίπτωση ένα ενθαρρυντικό αποτέλεσμα για όσους πιστεύουν βαθύτατα πως κάποιο σήμα υπερσυμμετρίας θα βρεθεί, εν τέλει, στον LHC. Ποιος ξέρει-ίσως αυτό εξελιχθεί σε 5 σίγμα του χρόνου…

Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερες λεπτομέρειες για την ανάλυση, μπορείτε να τις βρείτε στις διαφάνειες του Κώστα Θεοφιλάτου από το ETH της Ζυρίχης, ή σε αυτή τη διεύθυνση.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/a_susy_edge_signal_cms_sees_a_26_sigma_excess-141816
2 Αυγούστου 2014

Posted in LHC | Tagged , | 1 σχόλιο

Γίνεται το μποζόνιο Higgs να μη διατηρεί τη λεπτονική γεύση;

Έχουν περάσει δύο χρόνια από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs (4 Ιουλίου 2012), και το νεαρό αυτό σωματίδιο συνεχίζει να προκαλεί ενθουσιασμό. Αρχικά, είχαμε το πλεόνασμα στις διασπάσεις του Higgs προς ζεύγη φωτονίων, το οποίο παρατηρήθηκε από το ATLAS – αλλά η ανωμαλία αυτή δεν υφίσταται πλέον, χάρη στη λήψη περισσότερων δεδομένων και τη προσεκτικότερη επεξεργασία αυτών. Έπειτα είχαν σειρά οι “δίδυμες κορυφές“: Το ATLAS είδε και πάλι μία ασυμβατότητα, αυτή τη φορά μεταξύ μετρήσεων με ζεύγη φωτονίων και αντίστοιχων μετρήσεων με ζεύγη μποζονίων Ζ.

Και οι δύο αυτές ανωμαλίες βρίσκονταν σε επίπεδο σημαντικότητας της τάξεως του 2σ – κάτι το οποίο σημαίνει πως υπήρχε πιθανότητα 1-5% να λάβουμε αυτά τα δεδομένα, εφόσον το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) είναι σωστό. Και τώρα, είναι η σειρά του CMS: υπάρχει ένα πλεόνασμα, επιπέδου 2.5 σίγμα, σε διασπάσεις του μποζονίου Higgs όπου δεν διατηρείται η γεύση των λεπτονίων (lepton-flavour violating decays ή εν συντομία LFV decays), όπως βρέθηκε από τη νέα ανάλυση του CMS.

Αισθάνομαι την ανάγκη να απολογηθώ για το ότι αναρτώ δύο “συναρπαστικά” άρθρα μέσα σε τρεις μέρες, αλλά είναι αλήθεια πως οι σωματιδιακοί φυσικοί συνηθίζουν να συσσωρεύουν τα αποτελέσματα τους σε δύο περιστάσεις οι οποίες απέχουν χρονικά μεταξύ τους έξι μήνες: τα καλοκαιρινά συνέδρια και τα χειμερινά συνέδρια. Αυτό τους δίνει τη δυνατότητα να κάνουν δωρεάν διακοπές σε φανταχτερά χιονοδρομικά κέντρα ή σε άλλους ελκυστικούς προορισμούς (για αυτούς που θέλουν να έχουν και λίγη ζωή), ή να μαζευτούν με εκατοντάδες άλλους συναδέλφους τους και να παρακολουθήσουν πολλές ομιλίες (για αυτούς που είναι σοβαροί με τη δουλεία τους). Έτσι οι μεγάλες κοινοπραξίες επιστημόνων συχνά παρουσιάζουν μαζεμένα πολλά ενδιαφέροντα αποτελέσματα (και διάφορα λιγότερο ενδιαφέροντα), εκεί όπου θα έχουν και τον μικρότερο δυνατό αντίκτυπο στα μέσα ενημέρωσης. Ποτέ δεν κατάλαβα γιατί αυτό θα πρέπει να θεωρείται κάτι καλό, αλλά έτσι έχουν τα πράγματα, οπότε ας συνεχίσουμε.

Η γεύση των λεπτονίων

Το σημερινό αποτέλεσμα είναι απόρροια της έρευνας για μία εξωτική διάσπαση: θα μπορούσε το μποζόνιο Higgs να διασπαστεί σε ένα λεπτόνιο tau και ένα ελαφρύτερο λεπτόνιο; Φυσικά και όχι. Όχι, τουλάχιστον, στο πλαίσιο του καθιερωμένου προτύπου: κάτι τέτοιο θα σήμαινε πως το  Higgs διαθέτει τη “δύναμη” να μεταλλάσσει την ύλη, σε μεγαλύτερο μάλιστα βαθμό και από το μποζόνιο Ζ. Αλλά νομίζω πως μιλάω κάπως με γρίφους, οπότε επιτρέψτε μου να γίνω πιο σαφής.

Παρά το γεγονός πως τα υλικά σωματίδια διασπώνται -τις περισσότερες φορές απίστευτα γρήγορα- σε ελαφρύτερα, έχει παρατηρηθεί πως διατηρούνται κάποια χαρακτηριστικά: το μητρικό σωματίδιο μεταβιβάζει κάποια ιδιότητα του στην επόμενη γενιά, η οποία και δεν χάνεται. Έτσι, για παράδειγμα, όταν ένα μιόνιο διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο, ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου και ένα νετρίνο του μιονίου, η “μιονική ιδιότητα (muon-ness)” περνά από το μιόνιο στο νετρίνο του μιονίου. Ή, ομοίως, όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου, ο βαρυονικός αριθμός του νετρονίου μεταβιβάζεται στο πρωτόνιο. Η ύλη αλλάζει μορφές, αλλά δεν μπορεί να καταστραφεί. Και μάλιστα, ακόμη και όταν αλλάζει, ακολουθεί πάντοτε αυτόν τον κληρονομικό κανόνα των “καλών κβαντικών αριθμών”.

Το σωματίδιο που μπορεί να μεταλλάσσει την ύλη είναι το μποζόνιο W: μέσω αυτού περνά η μιονική ιδιότητα στο νετρίνο του μιονίου. Και μέσω του W, καταφέρνει το down κουάρκ μέσα στο νετρόνιο να γίνει up κουάρκ, διατηρώντας για βαρυονικό αριθμό το +1/3. Πραγματικά, ποτέ μέχρι σήμερα δεν έχουμε παρατηρήσει κάποια παραβίαση του βαρυονικού ή του λεπτονικού αριθμού.

Ας πάμε τώρα στο μποζόνιο Higgs. Τι σχέση έχει αυτό με όλα τα παραπάνω; Το Higgs δεν μπορεί να κάνει κανένα τρικ σαν αυτό του W κατά τις διάφορες διασπάσεις: δεν μπορεί μέσω τις “σύζευξης” με ένα σωμάτιο να του αλλάξει τη φύση του. Εάν αλληλεπιδράσει με ένα τοπ κουάρκ, αυτό θα παραμείνει τοπ κουάρκ. Εάν εκπεμφθεί από ένα μιόνιο, αυτό θα παραμείνει μιόνιο.  Όλα αυτά είναι τόσο άρρηκτα συνδεδεμένα με τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου που οποιαδήποτε άλλη σκέψη είναι σχεδόν απαγορευμένη. Η επινόηση του μποζονίου Higgs για την επίλυση του γρίφου του σπασίματος συμμετρίας στην ηλεκτρασθενή θεωρία ήταν ένα μνημειώδες κατόρθωμα -θα το έβαζα μέσα στα 10 μεγαλύτερα επιτεύγματα τις ανθρώπινης νόησης. Αλλά τώρα εάν το χρησιμοποιείς για να λύσεις έναν γρίφο και βρίσκεις τελικά πως τα πράγματα λειτουργούν έτσι όντας πολύ πιο σύνθετα είναι, αν μη τι άλλο, κάπως ενοχλητικό.

Οπότε, οι εξισώσεις μας διαβεβαιώνουν πως το Higgs δε διασπάται σε ένα tau και ένα μιόνιο, καθώς κάτι τέτοιο δεν θα έβγαζε νόημα. Ή μήπως θα έβγαζε; Στην πραγματικότητα, οι φίλοι μας οι θεωρητικοί αρέσκονται να κάνουν εικασίες, και μερικοί από αυτούς μας εξηγούν πως κάτι τέτοιο θα είχε νόημα. Υπάρχουν μοντέλα τα οποία περιέχουν διασπάσεις του Higgs που δε διατηρούν τη λεπτονική γεύση και τα οποία δεν καταστρέφουν τα ωραία χαρακτηριστικά του όλου οικοδομήματος: μοντέλα με περισσότερα του ενός μποζόνια Higgs, μοντέλα στα οποία το Higgs είναι σύνθετο σωματίδιο… Νομίζω δεν χρειάζεται να μπω σε λεπτομέρειες. Ας δούμε, καλύτερα, τα δεδομένα.

Η νέα ανάλυση του CMS

Πρώτα απ’ όλα, είναι σημαντικό να θυμάται κανείς πως υπάρχει ένα όριο στο <13% για διασπάσεις του Higgs που παραβιάζουν την λεπτονική γεύση, από την έρευνα του ATLAS για την διάσπαση H->tau tau. Το CMS ασχολήθηκε με την άμεση ανακατασκευή των διασπάσεων του Higgs σε ένα tau και ένα μιόνιο. Αυτό το έκανε βρίσκοντας λεπτόνια tau είτε ως στενούς πίδακες ελαφριών αδρονίων (πράγμα σύνηθες για τα tau) είτε ως ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο. Γιατί όχι σε διασπάσεις tau -> μ; Επειδή αυτές θα έδιναν μία τελική κατάσταση με δύο μιόνια, η οποία κυριαρχείται από μεγαλύτερο υπόβαθρο.

Ίσως να φαίνεται πως το υπόβαθρο των δύο tau αποτελεί ένα μεγάλο εμπόδιο για αυτή την έρευνα: ζεύγη tau μπορούν να παραχθούν από ένα μποζόνιο Z. Το ένα από τα tau μπορεί να διασπαστεί σε ένα μιόνιο και το άλλο να γεννήσει την υπογραφή εντοπισμού (tagging signature) που απαιτεί η ανάλυση (έναν στενό πίδακα ή ένα απομονωμένο ηλεκτρόνιο). Εντούτοις, το μιόνιο που προκύπτει από διασπάσεις όπου παραβιάζεται η λεπτονική γεύση έχουν πολύ μεγαλύτερη ενέργεια από τα μιόνια της διάσπασης ενός tau. Αυτό συμβαίνει διότι στη διάσπαση του tau, αυτό θα πρέπει να διαμοιράσει την ενέργεια του (η οποία είναι, ας πούμε, η μισή της μάζας του Z εάν προέρχεται από μποζόνιο Z, ή η μισή της μάζας του Higgs εάν προέρχεται από μποζόνιο Higgs) σε τρία σωματίδια – το μιόνιο, το αντινετρίνο του μιονίου και το tau νετρίνο. Θυμηθείτε: το tau δεν παραβιάζει τη διατήρηση της λεπτονικής γεύσης κατά τη διάσπαση του, αφού η “tau-ιδιότητα” μεταλαμπαδεύεται στο tau νετρίνο. Είναι η ίδια κατάσταση ακριβώς με τη διάσπαση του μιονίου.

Στο CMS μελέτησαν όλα τα σχετικά υπόβαθρα με φροντίδα και έδωσαν μία λεπτομερή πρόβλεψη για το καθένα από αυτά. Ένα τυπικό τέχνασμα είναι να ψάξει κανείς για λεπτόνια tau και μιόνια τα οποία έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο: αυτό πια δεν γίνεται να είναι αποτέλεσμα μιας διάσπασης Higgs – θα απαιτούσε “υπερβολική” παραβίαση των νόμων διατήρησης για μία μονάχα διάσπαση! – επομένως, συγκρίνοντας δεδομένα και προσομοιώσεις σε ένα τέτοιο δείγμα ελέγχου που δεν περιέχει σήμα είναι δυνατόν να διαπιστώσουμε εάν τα υπόβαθρα όπως τα fake muons (τα οποία δεν γνωρίζουν τίποτα για το φορτίο του tau, πχ) είναι ελεγχόμενα.

Φυσικά η μεταβλητή η οποία εξετάζεται είναι η αναλλοίωτη μάζα του μιονίου και του tau. Θα είχε προφανώς μία κορύφωση στα 125 GeV στην περίπτωση της διάσπασης μποζονίου Higgs, ενώ όλα τα υπόβαθρα είτε θα είχαν μέγιστο κάπου αλλού (όπως για τα tau+μιόνια που προέρχονται από διάσπαση ενός Ζ, με το μιόνιο να είναι προϊόν της διάσπασης ενός tau), είτε δεν θα είχαν πουθενά μέγιστο (όπως, για παράδειγμα, στην περίπτωση των σωματιδίων που έχουν αναγνωριστεί εσφαλμένα ως λεπτόνια (misidentified leptons)).

Εν τέλει, το φάσμα μαζών φαίνεται από κάτω. Ή μάλλον, καλύτερα, τα φάσματα μαζών: η επιλογή σωματιδίων Higgs δημιουργεί πολλές διαφορετικές κατηγορίες που μπορεί να περιέχουν σήμα, συμπεριλαμβανομένων και υποψηφίων Higgs τα οποία παράγονται μαζί με δύο αδρονικούς πίδακες με κατεύθυνση προς τα εμπρός (η διαδικασία “vector-boson-fusion” παράγει δύο τέτοιου είδους πίδακες (tagging jets)). Χωρίζοντας τα δεδομένα σε κατηγορίες 0, 1, και 2 πιδάκων και λαμβάνοντας υπόψιν ξεχωριστά τις υπογραφές λεπτονίου tau, “στενός πίδακας” και “ηλεκτρόνιο”, παίρνουμε τελικά έξι διαφορετικά ιστογράμματα. Σημειώστε πως τα διάφορα υπόβαθρα συνεισφέρουν διαφορετικά σε κάθε μία από τις έξι υποκατηγορίες δεδομένων.




(Στα παραπάνω γραφήματα, στο πάνω μέρος φαίνεται το αντίστοιχο ιστόγραμμα μαζών, και από κάτω το υπόλοιπο μεταξύ δεδομένων και συνολικού υποβάθρου διαιρεμένο δια του υποβάθρου).

Εάν συγκρίνει κανείς τα δεδομένα (μαύρα σημεία) με το άθροισμα των υποβάθρων (έγχρωμα ιστογράμματα) παρατηρεί πως υπάρχει ένα ελαφρύ πλεόνασμα κοντά στα 125 GeV και στις δύο κατηγορίες χωρίς πίδακες (δηλαδή, στα πρώτα δύο ιστογράμματα), καθώς επίσης και ένα μικρότερο στις κατηγορίες 1-πίδακας μτe και 2-πίδακες μτhad  (κέντρο αριστερά, και κάτω δεξιά, αντίστοιχα). Σημειώστε επίσης πως στα γραφήματα το πιθανό σήμα φαίνεται με το κενό μπλε ιστόγραμμα. Το branching fraction που έχει υποτεθεί για το ιστόγραμμα είναι μόλις 0.9% – 15 φορές μικρότερο από το όριο του ATLAS.

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα και την περίπλοκη combined likelihood fitting διαδικασία  που ανακαλύφθηκε για το μποζόνιο Higgs πριν από δύο χρόνια, το CMS παράγει μία εκτίμηση για το branching fraction σε κάθε μία από τις έξι κατηγορίες και έπειτα μία συνδυασμένη εκτίμηση. Αυτά φαίνονται στο διπλανό γράφημα.

Όπως μπορείτε να δείτε, παρότι οι γραμμές σφάλματος είναι πολύ μεγάλες για να βγάλουμε ασφαλή συμπεράσματα, υπάρχει μία συνεπής εικόνα για μη μηδενικό branching fraction. Φυσικά, σε καμία περίπτωση δεν απορρίπτεται το Καθιερωμένο Πρότυπο (το οποίο προβλέπει το branching fraction να είναι ακριβώς ίσο με μηδέν) – το φαινόμενο έχει σημαντικότητα 2.5 σίγμα, το οποίο σημαίνει ότι υπάρχει μία πιθανότητα 0.7% να παρατηρήσουμε δεδομένα τα οποία αποκλίνουν από το ΚΠ τόσο όσο σε αυτή την έρευνα.

Η σημασία της μέτρησης, κατά την ταπεινή μου άποψη, δεν είναι τόσο στη μικρή απόκλιση από τις προβλέψεις, όσο στο πολύ πιο ισχυρό όριο που μπορεί να θέσει το CMS για τις LFV διασπάσεις: από το 13% του ATLAS, έχουμε πάει πλέον μία τάξη μεγέθους πιο κάτω: το CMS αποκλείει τις LFV διασπάσεις με branching fraction που ξεπερνά το 1.57%, σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Και, φυσικά, σε αυτό το σημείο θα έχει ενδιαφέρον να δούμε τι μπορεί να κάνει και το ATLAS χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία: εάν βρουν και αυτοί ένα πλεόνασμα κοντά στα 3 σίγμα, θα υπάρχει και πάλι λόγος για ενθουσιασμό!

Αρχικό Άρθρο:
www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/does_the_higgs_violate_lepton_flavour_number_a_cms_result_tickles_wild_fantasies-139980
6 Ιουλίου 2014

Posted in Θεωρία, LHC | Tagged , | 1 σχόλιο

Διμποζονικά πλεονάσματα στον LHC δείχνουν προς την ελαφριά υπερσυμμετρία!

Ανάμεσα στα διάφορα, λίγο πολύ βαρετά, νέα από το συνέδριο ICHEP (International Conference on High Energy Physics), που λαμβάνει χώρα αυτήν τη στιγμή στην Βαλένθια, υπάρχει κάτι το οποίο δημιουργεί μια θετική αύρα για τους θεωρητικούς που έχουν αποφασίσει να παραμείνουν πιστοί στην ιδέα της υπερσυμμετρίας μέχρις τέλους. Και αυτό είναι το πλεόνασμα, που ανακοινώθηκε μόλις εκεί από το ATLAS, στα διμποζονικά γεγονότα.

Τα μποζόνια W είναι βαριά σωματίδια τα οποία ανακαλύφθηκαν το 1983 από τον Carlo Rubbia στον επιταχυντή SppS του CERN. Είναι οι φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων (μαζί με τα μποζόνια Ζ) και είναι υπεύθυνα για τις ραδιενεργές διασπάσεις, καθώς επίσης και για μερικές αντιδράσεις στους πυρήνες των άστρων. Τα W μπορούν να δημιουργηθούν σε ζεύγη μέσω κάποιων ηλεκτρασθενών διαδικασιών , οι οποίες μάλιστα είναι αρκετά τυπικές στις συγκρούσεις σωματιδίων αρκούντως υψηλής ενέργειας. Και όντως, η παραγωγή ζευγών μποζονίων W έχει μελετηθεί από τα τέλη της δεκαετίας του ’90 στα Tevatron και LEP II, όπως φυσικά και στα πειράματα του LHC στη συνέχεια.

Το γεγονός πως το μποζόνιο Higgs μπορεί να διασπαστεί σε ζεύγη WW είναι ένα επιπλέον κίνητρο για να μελετήσει κανείς αυτές τις διαδικασίες, αλλά στην πραγματικότητα αυτές είναι αρκετά ενδιαφέρουσες από μόνες τους. Ήδη για τον ρυθμό παραγωγής των WW στις υψηλές ενέργειες θα μπορούσε κανείς να γράψει τόμους – η ενεργός διατομή της διαδικασίας θα έφτανε σε μη λογικά επίπεδα (το “unitarity bound“) εάν δεν υπήρχε το μποζόνιο Higgs να περιορίσει τον ρυθμό τους. Αλλά ας μείνουμε στο σημερινό θέμα: SUSY (aka Υπερσυμμετρία) !

Μόλις πριν από μία εβδομάδα δημοσιεύτηκε στο Arxiv ένα paper με το όνομα Stop the ambulance!. Μέσα σε αυτό οι Jong Soo Kim, Krzystof Rolbiecki, Kazuki Sakurai και Jamie Tattersall υποστηρίζουν πως οι ρυθμοί παραγωγής ζευγών WW στο ATLAS (στα δεδομένα συγκρούσεων 7 TeV) και το CMS (σε συγκρούσεις 7 και 8 TeV) υπερβαίνουν όλοι τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ), και μάλιστα συνεχίζουν δείχνοντας πώς ένα πολύ απλό υπερσυμμετρικό μοντέλο που περιλαμβάνει ελαφριά stop κουάρκς, charginos και neutralinos θα μπορούσε να προσαρμοστεί πολύ καλύτερα στα δεδομένα από ό,τι το ΚΠ.

Οι συγγραφείς του paper αυτού παρουσιάζουν μία προσαρμογή (fit) του ΚΠ+Απλουστευμένη Υπερσυμμετρία στην οποία φαίνεται πως υπάρχει στα δεδομένα προτίμηση, σε επίπεδο 3σ, για την υπόθεση που περιλαμβάνει την υπερσυμμετρία. Επιτέλους μια πρώτη ένδειξη υπέρ της Υπερσυμμετρίας;

Το θέμα είναι σοβαρό, μιας και οι διαδικασίες παραγωγής WW στον LHC περιλαμβάνουν κυρίως εξαΰλωση κουάρκ-αντικουάρκ, στην οποία υπεισέρχεται μικρή αβεβαιότητα. Είναι μία πολύ απλή ηλεκτρασθενής διαδικασία και οι υπολογισμοί του ΚΠ είναι δύσκολο να πέφτουν πολύ έξω. Αλλά βέβαια, με τόσες μετρήσεις ρυθμών παραγωγής στον LHC, το να βρεις διαφωνία σε μία μπορεί να είναι τόσο σημαντικό;

Απ’ ό,τι φαίνεται, μπορεί. Στην πραγματικότητα, το μόνο κομμάτι που έλλειπε από το παζλ των μετρήσεων πάνω στις ενεργούς διατομές παραγωγής WW, με βάση τα δεδομένα του Run 1 στον LHC, ήταν το σχετικό αποτέλεσμα από το ATLAS στα 8-TeV. Και αυτό είναι που μάθαμε στο ICHEP: Το ATLAS μετράει την ενεργό διατομή στα 71.4±7.5 pb, ιδιαίτερα υψηλότερη από τη θεωρητική πρόβλεψη (57.3 pb). [Για σύγκριση, πριν από έναν χρόνο το CMS δημοσίευσε τη δική του μέτρηση στα 8 TeV, σ(WW)=69.9±6.9 pb, χρησιμοποιώντας ελάχιστα fb -1 από τα δεδομένα σε ενέργειες 8 TeV. Το αποτέλεσμα έχει μεγαλύτερη ακρίβεια από το νέο του ATLAS, αλλά κυριαρχείται από συστηματικά σφάλματα, όπως και τα αντίστοιχα των ανταγωνιστών του, οπότε και είναι απίθανο να προσπαθήσουν στο CMS να το βελτιώσουν στο άμεσο μέλλον.] Μία μεγέθυνση της νέας μέτρησης του ATLAS φαίνεται παρακάτω- η επιλογή των χρωμάτων μου κέντρισε το ενδιαφέρον σε τέτοιο βαθμό ώστε να θελήσω να κάνω ζουμ στην νέα μέτρηση (τρίτη σειρά από πάνω).

Είναι λίγο καλλιτεχνικό, έτσι δεν είναι; Οι γκρι μπάρες είναι οι προβλέψεις του ΚΠ και με το πορτοκαλί είναι η νέα μέτρηση του ATLAS. Εντάξει, μπορεί να είναι οπτικά ωραίο, αλλά μεγαλύτερο ενδιαφέρον έχει το συνολικό γράφημα, όπου συνοψίζεται η κατάσταση από πολλές διαφορετικές μετρήσεις στο ATLAS. Δείτε από κάτω:

Το γράφημα φαίνεται πολύπλοκο, αλλά δεν χρειάζεται να εστιάσετε παντού. Το ουσιώδες της υπόθεσης είναι πως σύμφωνα με τα δύο πειράματα του LHC έχουμε κάποιες συνεπείς αποκλίσεις σε σχέση με το ΚΠ και πως ένα σχετικά απλό υπερσυμμετρικό μοντέλο φαίνεται να προσαρμόζεται στα δεδομένα αποτελεσματικά. Ακόμα πιο σημαντικό είναι το γεγονός πως το μοντέλο αυτό δημοσιεύτηκε πριν από το paper και επομένως είναι έως έναν βαθμό “επιβεβαίωση” της εικόνας που κατασκεύασαν οι θεωρητικοί.

Το παρακάτω διάγραμμα, το οποίο έχει ληφθεί από το preprint, δείχνει πως έχει η κατάσταση. Είναι ένα “temperature plot” όπου φαίνεται η διαφορά της πιθανότητας από την τιμή των παραμέτρων για την οποία έχουμε την βέλτιστη προσαρμογή. Τιμές κοντά στο μηδέν είναι με κόκκινο και αντιπροσωπεύουν τιμές του παραμετρικού χώρου που συμφωνούν με τις μετρήσεις των ATLAS και CMS. Στον οριζόντιο άξονα είναι η μάζα του stop και στον κάθετο άξονα η μάζα του neutralino. Υπάρχει μία συμπαθητική ζώνη από κόκκινα σημεία γύρω από τις τιμές Mstop=200 GeV και Mneu=150 GeV η οποία είναι εκτός της περιοχής του παραμετρικού χώρου που έχει εξαιρεθεί μέχρι τώρα (η οποία είναι κάτω από τη μαύρη, την κίτρινη και τη μωβ καμπύλη.).

Παρά το εντυπωσιακό διάγραμμα και τη κόκκινη ομάδα από τιμές υψηλής πιθανότητας ευρισκόμενη πάνω από τις περιοχές που έχουν εξαιρεθεί, η σημαντικότητα των αποκλίσεων από το ΚΠ είναι ακόμα πολύ ασθενής για να ισχυριστούμε το οτιδήποτε. Βέβαια, είναι σίγουρο, όπως είπα και παραπάνω, ότι μερικοί θα επιλέξουν να μην κοιμηθούν σήμερα, προτιμώντας καλύτερα να καθίσουν να ελέγξουν τα μοντέλα τους.

Τι να πω…Εάν είναι τριαντάφυλλα, θα ανθίσουν. Εύχομαι πραγματικά να ανθίσουν, αλλά παραμένω σκεπτικός. Θα έχει ενδιαφέρον να δούμε εάν το ATLAS και το CMS θα κάνουν μία προσπάθεια να ερευνήσουν με μεγαλύτερες λεπτομέρειες τα υπερσυμμετρικά σενάρια που αναπαράγουν με ακρίβεια το παρατηρούμενο πλεόνασμα. Φυσικά, οι έρευνες για υπερσυμμετρία στον LHC είναι ήδη ευρύτατες, αλλά κάποια γωνιά του παραμετρικού χώρου μπορεί πιθανόν να ερευνηθεί με μεγαλύτερη προσοχή…Και περιττό να πω, πως η λειτουργία του LHC στα 13-TeV το 2015 έρχεται όλο και πιο κοντά. Οπότε μείνετε συντονισμένοι για κάτι το οποίο μπορεί να εξελιχθεί στην ανακάλυψη του αιώνα -ο οποίος ναι μεν είναι ακόμα μικρός, αλλά είναι ήδη γεμάτος με σημαντικά γεγονότα!

Αρχικό Άρθρο:
www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/new_lhc_diboson_excesses_point_to_light_susy-139965
4 Ιουλίου 2014

(Σημείωση: Τις τελευταίες μέρες υπάρχουν νέα στοιχεία με τα οποία ίσως να μην χρειάζεται να καταφύγουμε στην υπερσυμμετρία για να εξηγηθούν οι αποκλίσεις. Δείτε εδώ και εδώ.)

Posted in LHC | Tagged , | Γράψτε ένα σχόλιο

Η ασυμμετρία του bottom κουάρκ μετρήθηκε από το CDF

Θυμάστε τις μετρήσεις του CDF και του DZERO για την ασυμμετρία του top κουάρκ πριν από μερικά χρόνια; Αυτές είχαν προκαλέσει έναν σχετικό ενθουσιασμό, αφού και τα δύο πειράματα έδειχναν πως υπάρχει απόκλιση από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ). Αυτό πράγματι θα μπορούσε να αποτελέσει σημείο αναφοράς για φαινόμενα νέας φυσικής σχετικά με την παραγωγή του top, και όπως ήταν φυσικό ακολούθησαν αρκετές νέες θεωρητικές έρευνες και μοντέλα.

Η περιγραφή της ποσότητας αυτής είναι σχετικά εύκολη: βάζοντας πρωτόνια και αντιπρωτόνια να συγκρουστούν στον επιταχυντή του Tevatron σε ενέργειες 2TeV, παράγονται μερικές φορές (για να είμαστε πιο ακριβείς, σπάνια: μία φορά κάθε δέκα δισεκατομμύρια συγκρούσεις) ζεύγη top-αντιtop. Έτσι, λοιπόν, κανείς μπορεί να μετρήσει τον αριθμό των θετικά φορτισμένων top κουάρκ που εκπέμπονται προς τη μία κατεύθυνση -ας πούμε στη διεύθυνση των αρχικών δεσμών- και να αφαιρέσει από αυτά τον αριθμό των ίδιων σωματιδίων που εκπέμπονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν διαιρέσετε τότε με τον συνολικό αριθμό των θετικών top κουάρκ θα πάρετε ένα κλάσμα, το οποίο θα μπορούσατε κάλλιστα να το ονομάσετε “ασυμμετρία”. Θα ήταν λογικό να περιμένετε αυτή τη ποσότητα να είναι σε συμφωνία με το μηδέν.

Στην πραγματικότητα, όμως, υπάρχουν κάποια λεπτά σημεία – κατανοητά πλήρως εντός του ΚΠ- τα οποία αναγκάζουν αυτήν τη ποσότητα να αποκλίνει ελάχιστα από το μηδέν. Το φαινόμενο εξαρτάται επίσης από τη συνολική ενέργεια των αντιδράσεων, και επομένως είναι λογικό να μετράει κανείς την ασυμμετρία ως συνάρτηση της συνολικής μάζας ηρεμίας του συστήματος top-αντιtop, η οποία και μπορεί να μετρηθεί εύκολα. Στα πρώτα αποτελέσματα των CDF και DZERO, αυτή η ασυμμετρία φάνηκε να αυξάνεται όσο μεγάλωνε και η μάζα του συστήματος: ό,τι ακριβώς θα περίμενε κανείς να δει εάν κρυβόταν πίσω από το φαινόμενο νέα φυσική στις πολύ υψηλές ενέργειες. Το φαινόμενο βρισκόταν σε επίπεδο σημαντικότητας 3σ κατά τις πρώτες αναλύσεις.

Η παραπάνω υπόθεση “έκλεισε” πρόσφατα, μετά από τα νέα αποτελέσματα από το Tevatron, τα οποία έδειχναν ελαττωμένες ασυμμετρίες, συμβατές πλέον με τις προβλέψεις του ΚΠ. Ή, καλύτερα, η υπόθεση δεν έχει κλείσει, αλλά, ακόμη και αν υπάρχουν αποκλίσεις από τις προβλέψεις του ΚΠ, αυτό δεν είναι πλέον δουλεία για το Tevatron- για να βρεθούν αυτές, απαιτείται μεγαλύτερη στατιστική ακρίβεια και υψηλότερη κλίμακα ενεργειών. Για μία σύνοψη δείτε το εξαιρετικό κείμενο του Jester πάνω στο θέμα. (Στο παρελθόν έχω γράψει και εγώ σχετικά άρθρα, όπως για παράδειγμα αυτό το κείμενο από το 2011 ή  αυτήν την πιο πρόσφατη σύνοψη.)

Δυστυχώς, η ασυμμετρία που θα δημιουργούσε η ύπαρξη νέας φυσικής μπορεί να μελετηθεί πολύ καλύτερα σε έναν επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου από ό,τι σε έναν επιταχυντή πρωτονίου-πρωτονίου (σαν και αυτόν με τον οποίον δουλεύουμε τώρα στο CERN, τον LHC): οι διαδικασίες παραγωγής των ζευγών top-αντιtop στον LHC είναι διαφορετικές, και φαινόμενα νέας φυσικής μπορούν να κρύβονται εκεί για λίγο παραπάνω.

Συνεπώς η κατάσταση είναι σήμερα λιγότερο συναρπαστική από ό,τι πριν από μερικά χρόνια, αλλά παραμένει σχετικά ενδιαφέρουσα. Συγκεκριμένα, φαίνεται σαν να είναι ένα πεδίο στο οποίο οι νέες ιδέες θα είναι αυτές που θα κάνουν τη διαφορά όσο περιμένουμε για περισσότερα πειραματικά δεδομένα (είτε από έναν υψηλότερης ενέργειας επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου, είτε από αύξηση της φωτεινότητας του LHC). Μια τέτοια ωραία ιδέα ήρθε πρόσφατα από την κοινοπραξία του CDF. Εάν κάποιες διαδικασίες νέας φυσικής μπορούν να προκαλέσουν ασυμμετρία στην παραγωγή του top κουάρκ, είναι λογικό να εμφανίζεται ίδιας φύσεως ασυμμετρία και κατά την παραγωγή bottom-αντιbottom (το bottom κουάρκ είναι ο παρτενέρ του top στην τρίτη γενεά σωματιδίων, και είναι αρκετά φυσικό να είναι ευαίσθητο σε παρόμοια φαινόμενα).

Πολύ ωραία. Αλλά πως να μελετήσει κανείς τις ασυμμετρίες bottom-αντιbottom; Τα top κουάρκ έχουν έναν πολύ χαρακτηριστικό τρόπο διάσπασης σε ένα bottom κουάρκ και ένα μποζόνιο W, και το φορτίο του W προδίδει εάν η διάσπαση προήλθε από top ή από αντιtop (και με αυτόν τον τρόπο φυσικά μπορεί κανείς να βρει αμέσως προς ποια κατεύθυνση έφυγε το καθένα), όμως για τα bottom η διαδικασία δεν είναι τόσο απλή. Το bottom μπορεί και αυτό να διασπαστεί εκπέμποντας W, αλλά εδώ το W είναι δυνητικό, και η αναγνώριση του φορτίου του είναι αρκετά πιο δύσκολη από ό,τι στην περίπτωση των πραγματικών, ενεργητικών W που εκπέμπονται κατά τις διασπάσεις top κουάρκ.

Βεβαίως, κανείς θα μπορούσε να πάρει την απόφαση να επιλέγει ζεύγη πιδάκων προερχόμενα από αδρονιοποίηση bottom-αντιbottom, “ταγκάροντας” (tagging) το bottom περιεχόμενο τους μέσω της αναγνώρισης ενός ηλεκτρονίου ή μιονίου χαμηλής ενέργειας εντός του πίδακα, καθώς ένα b κουάρκ εκπέμπει αρνητικό μποζόνιο W και αυτό με την σειρά του αρνητικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο, ενώ από την άλλη, ένα αντιbottom θα δώσει τελικά θετικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο. Δυστυχώς, αυτή είναι μία background-ridden τεχνική και μάλιστα μία από αυτές με ιδιαίτερα μικρή απόδοση (διότι δεν είναι εύκολο να αναγνωρίσεις λεπτόνια στο κέντρο πιδάκων).

Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε από τους Dante Amidei, Tom Wright, και Jon Wilson στο CDF ήταν να επιλέξουν τα ζεύγη πιδάκων με secondary vertex b-tagging, και εν συνεχεία να εστιάσουν την προσοχή τους στο παρατηρούμενο μέγεθος “φορτίο πίδακα” (jet charge): πραγματοποιώντας ένα momentum-weighted άθροισμα των παρατηρούμενων θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων των φορτισμένων σωματιδίων εντός του πίδακα, επιτυγχάνει κανείς μία διαφοροποίηση μεταξύ πιδάκων προερχόμενων από b και αντιb κουάρκ.

Η ανάλυση είναι στην πραγματικότητα εξαιρετικά δύσκολη, αφού όχι μόνο η διαφοροποίηση που πετυχαίνουμε μέσω του φορτίου πίδακα είναι ελάχιστη, αλλά υπάρχει και σημαντικό υπόβαθρο από πίδακες οι οποίοι δεν προέρχονται από b κουάρκ. Μάλιστα, αυτοί μπορούν να παρουσιάσουν και μία “κίβδηλη” ασυμμετρία η οποία επίσης θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Ως συνήθως, όσο μεγαλύτερη ακρίβεια θες να έχει η ανάλυση σου, τόσες περισσότερες λεπτομέρειες θα πρέπει να συνυπολογίσεις. Οι παλαιοί μου συνάδελφοι έχουν κάνει εδώ μία πολύ καλή δουλειά σε αυτό το κομμάτι, αλλά δεν είναι αυτό το κατάλληλο σημείο να αναφερθώ σε αυτές. Κάποιες λεπτομέρειες της τεχνικής τους μπορείτε να βρείτε στη δημόσια σελίδα της ανάλυσης, ή στο πρόσφατο κείμενο τους στο πλαίσιο ενός συνεδρίου.

Εν τέλει, η μέτρηση δεν είναι εξίσου ακριβής με αυτήν που έχουμε από τα ζεύγη top κουάρκ, αλλά είναι σε κάθε περίπτωση μια απόδειξη της βιωσιμότητας της μεθόδου και μάλιστα ήδη έρχεται σε διαφωνία με μερικά μοντέλα νέας φυσικής. Η μέτρηση της ασυμμετρίας που έγινε συνοψίζεται στο παρακάτω γράφημα, όπου στον οριζόντιο άξονα είναι η μάζα ηρεμίας των δύο b-πιδάκων και ο κάθετος άξονας αντιστοιχεί στην παρατηρούμενη ασυμμετρία φορτίου.

Όπως μπορείτε να δείτε, οι γραμμές σφάλματος είναι αρκετά μεγάλες ώστε να μην επιτρέπουν να βγάλουμε συμπεράσματα ως προς το ποιο από τα μοντέλα που έχουν εξεταστεί παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συμφωνία με το αποτέλεσμα. Ένα σωματίδιο, το axigluon, θα μπορούσε να επιφέρει διορθώσεις στις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (οι οποίες φαίνονται στο διάγραμμα με ροζ χρώμα), αλλά η ασυμμετρία που θα προκαλούσε αυτό, επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη μάζα του. Για παράδειγμα, βλέπουμε πως η ασυμμετρία που βρέθηκε διαφωνεί με αυτήν που θα έδινε ένα ελαφρύ axigluon στα 200 GeV (με μπλε), αλλά, αντίθετα, είναι σε συμφωνία με την ασυμμετρία που θα έδινε η ύπαρξη axigluon με μάζα 345 GeV (με μωβ). Επομένως, ένα axigluon μάζας 200 GeV, πράγματι, απορρίπτεται από τα δεδομένα του CDF.

Κλείνοντας, επιτρέψτε μου συγχαρώ τους παλαιούς συναδέλφους μου στο CDF για την προσπάθεια τους να εκμεταλλευτούν στο έπακρο το σύνολο δεδομένων τα οποία συλλέχθηκαν από το Run 2 την περασμένη δεκαετία… Είμαι σίγουρος πως υπάρχουν και άλλα ενδιαφέροντα αποτελέσματα που μπορούν να εξαχθούν από τα δεδομένα, χρησιμοποιώντας νέες ιδέες και την εφευρετικότητα που διαθέτουν!

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/not_only_top_bottom_asymmetry_measured_by_cdf-139542
28 Ιουνίου 2014

Posted in Tevatron | Tagged , | Γράψτε ένα σχόλιο

Το διάγραμμα της εβδομάδας – Παράμετρος Michel

Το μιόνιο είναι ένα αξιοπρόσεκτο σωματίδιο και τα χαρακτηριστικά του συνεχίζουν, 80 χρόνια μετά την ανακάλυψη του, να παρουσιάζουν ενδιαφέρον, παρόλο που τα γνωρίζουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια από σχεδόν οτιδήποτε άλλο. Για παράδειγμα, ο μέσος χρόνος ζωής του μιονίου είναι γνωστός με μεγαλύτερη ακρίβεια από οποιοδήποτε άλλο ασταθές σωματίδιο, ενώ και ο ακριβέστερος προσδιορισμός της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου παραμένει κορυφαίας σημασίας στις μέρες μας.

Όμως, γιατί αυτή η εμμονή να θέλουμε να μετρήσουμε μέχρι το δέκατο δεκαδικό ψηφίο ποσότητες τις οποίες προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) με εκπληκτική ακρίβεια; Μα, φυσικά, επειδή ακριβώς το ΚΠ τις προβλέπει με τόσο μεγάλη ακρίβεια. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί μπορούν, έτσι, να συγκριθούν με τις παρατηρήσεις μας, σε τέτοιο βαθμό ακρίβειας, ώστε να έχουμε τη δυνατότητα να ανιχνεύσουμε ακόμα και ελάχιστες αποκλίσεις, οι οποίες αυτομάτως θα υποδηλώνουν πως κρύβονται εκεί νέα φυσικά φαινόμενα που δεν περιγράφονται από αυτό το μοντέλο.

Ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της φαινομενολογίας του μιονίου είναι ο τρόπος διάσπασής του. Μετά από έναν μέσο χρόνο ζωής 2.2 μsec το μιόνιο διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο, ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου και ένα νετρίνο του μιονίου. Τα τρία αυτά ελαφριά φερμιόνια έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να εκπεμφθούν με μία συγκεκριμένη διάταξη, στην οποία το ηλεκτρόνιο φεύγει σε αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση με τα δύο νετρίνα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

 

mudk

(Η εικόνα είναι από το jick.net, ελαφρώς επεξεργασμένη)

Για να κατανοήσετε αυτή την περίεργη διάταξη, σημειώστε κατ’ αρχάς πως το spin του μιονίου, ίσο με 1/2 σε μονάδες h-bar, θα πρέπει να είναι το ίδιο με το συνολικό spin των σωματιδίων της τελικής κατάστασης. Επιπλέον, όλα τα λεπτόνια αυτά είναι αρκετά “ελαφριά”, και επομένως είναι σχετικιστικά- το οποίο σημαίνει πως η συνολική τους ενέργεια είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια ηρεμίας τους. Υπό αυτές τις συνθήκες, το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του μιονίου θέλουν να έχουν το spin τους αντίθετο προς την κατεύθυνση της κίνησης τους – κάτι το οποίο ονομάζουμε “left-handedness”, ή αλλιώς “αρνητική ελικότητα (helicity)”, ενώ από την άλλη το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου θέλει το spin του προς την κατεύθυνση της κίνησης (δεξιόστροφο spin, ή θετική ελικότητα).

Οι παραπάνω δεσμεύσεις δεν μπορούν να ικανοποιηθούν εάν το νετρίνο και το αντινετρίνο εκπεμφθούν προς αντίθετες κατευθύνσεις, διότι τότε το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να είναι εντελώς αριστερόστροφο. Η πιο πιθανή κατάσταση είναι λοιπόν αυτή που αναφέραμε παραπάνω: το ηλεκτρόνιο πάει προς την μία κατεύθυνση και τα νετρίνα ανακρούονται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Το αποτέλεσμα λοιπόν είναι η ορμή του ηλεκτρονίου να εξισορροπείται από το άθροισμα των ορμών των δύο νετρίνων. Επομένως, από τα 105 MeV που απελευθερώνονται από το μιόνιο, τα 50 περίπου θα τα πάρει το ηλεκτρόνιο, και το κάθε νετρίνο θα πάρει από 25 MeV. Όλα αυτά ίσως φαίνονται κάπως παράξενα, αλλά είναι απλά ένας συνδυασμός σχετικιστικής κινηματικής με τους νόμους που διέπουν την ασθενή αλληλεπίδραση, μαζί τις αρχές διατήρησης ορμής και στροφορμής.

Τώρα, το φάσμα ορμών για το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο μπορεί να μετρηθεί με καλή ακρίβεια, και η κατανομή του συγκρίνεται με τις προβλέψεις του ΚΠ. Η κατανομή όντως έχει μέγιστο στα 52 MeV, και έπειτα πέφτει ραγδαία (τιμές ενέργειας πάνω από τα 52.5 MeV δεν επιτρέπονται λόγω αρχής διατήρησης της ενέργειας). Η κατανομή αυτή έχει μετρηθεί ακριβέστατα και η σύγκριση με τη θεωρία δείχνει πως το ΚΠ προβλέπει το φαινόμενο ικανοποιητικά.

Σε ένα paper που βρήκα στο arxiv σήμερα υπάρχει η σύγκριση μεταξύ νέων θεωρητικών υπολογισμών και του φάσματος των ορμών που λαμβάνουμε από αρνητικά μιόνια των οποίων η πορεία ανακόπτεται μέσα σε βαρύ μέσο. Παρόλο που αρνητικά και θετικά μιόνια συμπεριφέρονται στο κενό με ακριβώς τον ίδιο τρόπο, εντός της ύλης υπάρχει μία διαφορά. Ένα αρνητικό μιόνιο μπορεί να προσληφθεί από έναν βαρύ πυρήνα και να αρχίσει να περιφέρεται γύρω του όπως ένα ηλεκτρόνιο. Από την άλλη, αυτό δεν μπορεί να συμβεί για θετικά μιόνια, καθώς αυτά απωθούνται από τον πυρήνα λόγω του θετικού φορτίου του.

Τα μιόνια που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα προκαλούν μία τροποποίηση στο φάσμα ορμών των ηλεκτρονίων που εκπέμπουν όταν διασπώνται. Μία λεπτομερής μέτρηση αυτού του φάσματος είναι δυσκολότερη από ότι για ελεύθερα μιόνια, και η σύγκριση με τη θεωρία είναι επίσης πιο δύσκολη αφού απαιτούνται προσεκτικές διορθώσεις λόγω φαινομένων ακτινοβολίας. Μάλιστα, στο παρελθόν η σύμπραξη TRIUMF είχε βρει εδώ αποκλίσεις μεταξύ των πειραματικών δεδομένων και των θεωρητικών προβλέψεων για το φάσμα.

Στο paper αυτό φαίνεται πως λαμβάνοντας υπόψιν τις διορθώσεις ακτινοβολίας για μιόνια σε τροχιά γύρω από πυρήνα, και χρησιμοποιώντας έναν περίπλοκο φορμαλισμό που ξεφεύγει από τον σκοπό αυτού του κειμένου, μπορούμε να έχουμε καλή συμφωνία μεταξύ πειράματος και θεωρίας. Αυτό φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα.

Εδώ βλέπετε την κατανομή ορμών του ηλεκτρονίου που προκύπτει από το διασπώμενο μιόνιο, σε σύγκριση με τις διάφορες καμπύλες. Η πράσινη καμπύλη αντιστοιχεί σε διασπάσεις ελεύθερων μιονίων και υπάρχει εδώ μόνο πληροφοριακά. Οι άλλες δύο καμπύλες δείχνουν τους θεωρητικούς υπολογισμούς με ή χωρίς τις διορθώσεις λόγω ακτινοβολίας. Μπορείτε να δείτε πως τα δεδομένα είναι σε πολύ καλή συμφωνία με την κόκκινη γραμμή, η οποία συμπεριλαμβάνει τις διορθώσεις. [Σημειωτέον, σε αυτή τη γραφική παράσταση δίνεται παραδοσιακά το όνομα "Michel Parameter" (Παράμετρος Michel).]

Το ενδιαφέρον του αποτελέσματος αυτού είναι διπλό. Κατά πρώτον, η απόκλιση που υπήρχε μεταξύ του προβλεπόμενου και του μετρούμενου φάσματος φάνηκε πως ήταν αποτέλεσμα κβαντικών διορθώσεων, οι οποίες δεν είχαν ληφθεί υπόψιν: το Καθιερωμένο Πρότυπο σκίζει. Κατά δεύτερον, δεν θα πρέπει να ξεχνάει κανείς πως αυτές οι μετρήσεις ακριβείας στις χαμηλές ενέργειες έχουν αντίκτυπο και στις έρευνες υψηλών ενεργειών, μιας και, παραδείγματος χάριν, η έμμεση μέτρηση της μάζας του μποζονίου Higgs, από global fits στα μετρούμενα μεγέθη (observables) του ΚΠ, απαιτεί να χρησιμοποιήσουμε τέτοιου είδους δεδομένα.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/the_plot_of_the_week_michel_parameter-138816
18 Ιουνίου 2014

Posted in Θεωρία | 1 σχόλιο

Καθιερωμένο πρότυπο ή ελάχιστη υπερσυμμετρία ;

Κοιτάζοντας πίσω στον χρόνο και τις πρώτες αναφορές μου στη σημαντική γραφική παράσταση με τη μάζα του τοπ κουάρκ στον έναν άξονα και και τη μάζα του W στον άλλον, πριν από εννέα χρόνια, είμαι εντυπωσιασμένος από την πρόοδο μας. Το 2005 η μάζα του τοπ κουάρκ ήταν γνωστή με ακρίβεια 2-3 GeV, η αντίστοιχη του μποζονίου W με ακρίβεια 35 MeV, και δεν ξέραμε σε ποια περιοχή βρισκόταν η μάζα του Higgs, ή ακόμα και εάν αυτό πράγματι υπήρχε.

Σήμερα, η μάζα του τοπ έχει μετρηθεί με 770 MeV αβεβαιότητα και η μάζα του W με αβεβαιότητα 15 MeV. Αυτό από μόνο του μειώνει το μέγεθος του επιτρεπόμενου χώρου φάσεων των δύο αυτών παραμέτρων κατά έναν παράγοντα 10. Αλλά το σημαντικότερο είναι πως πλέον γνωρίζουμε τη μάζα του Higgs με ακρίβεια 0.5%. Αυτό αφήνει πολύ μικρή ελευθερία στις πραγματικές παραμέτρους του καθιερωμένου προτύπου (ΚΠ). Από την άλλη, εάν επεκτείνουμε το ΚΠ ώστε να περιλαμβάνει την ελάχιστη δυνατή υπερσυμμετρία, τότε οι προβλέψεις της θεωρίας διευρύνονται αισθητά, μιας και η ελάχιστη υπερσυμμετρική επέκταση του ΚΠ (MSSM) αφήνει πολύ μεγαλύτερη ελευθερία σε αυτές τις παραμέτρους, μεταβάλλοντας κάποιες άλλες (όπως πχ τις μάζες των squark).

Η κατάσταση από πειραματικής πλευράς συνοψίζεται στο παρακάτω διάγραμμα, το οποίο δημιούργησε ο Sven Heinemeyer σήμερα για αυτό το blog (ευχαριστώ Sven). Το γράφημα αποτελεί μία περίληψη των υπολογισμών του Heinemeyer και των συναδέλφων του Hollik, Stockinger, Weiglein και Zeune. Στον οριζόντιο άξονα φαίνονται οι δυνατές τιμές της μάζας για το τοπ κουάρκ, στην πολύ περιορισμένη περιοχή που επιτρέπει η πρόσφατη (και ακριβέστερη μέχρι σήμερα) μέτρηση του CMS. Στον κάθετο άξονα έχουμε το εύρος τιμών της μάζας του μποζονίου W, με το περιθώριο εδώ ακόμη πιο στενό σε απόλυτα μεγέθη, χάρις στις πολύ ακριβείς μετρήσεις από τα πειράματα LEP2 και Tevatron. Ο πειραματικός προσδιορισμός των δύο αυτών παραμέτρων αντιστοιχεί στην γκρι έλλειψη η οποία περιλαμβάνει το 68% των δυνατών τιμών.


Έτσι, λοιπόν, εάν μείνουμε εντός του ΚΠ, η μέτρηση της μάζας του μποζονίου Higgs από τα πειράματα στο CERN (±0.7 GeV) περιορίζει τις δύο παραμέτρους εντός της πολύ λεπτής κόκκινης γραμμής. Εάν, αντίθετα, υποθέσουμε πως η MSSM είναι η σωστή θεμελιώδης θεωρία, όλη η πράσινη περιοχή γίνεται πλέον πιθανή. Διαφορετικά σημεία αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές άλλων παραμέτρων (εδώ επιλέγεται μια πιο ελεύθερη διακύμανση της μάζας του Higgs, για να καλυφθούν περισσότερες πιθανότητες). Το βέλος με φορά προς τα κάτω συμβολίζει το γεγονός πως καθώς κανείς αυξάνει το “mass scale” της MSSM η επιτρεπόμενη περιοχή μετακινείται πιο κοντά στην γραμμή του ΚΠ.

Σημειώστε πως σε αυτό το γράφημα η γκρι έλλειψη και η κόκκινη γραμμή είναι τα μόνα πειραματικά στοιχεία. Δεν υπάρχει κάποιο “LEP indirect” οβάλ εδώ, μιας και αυτό θα ήταν πολύ ευρύ για το συγκεκριμένο διάγραμμα. Με άλλα λόγια, οι ιδιαίτερα ακριβείς πληροφορίες που έχουμε για την ηλεκτρασθενή θεωρία από τις έρευνες του μποζονίου Z τη δεκαετία του ’90, είναι εν πολλοίς άσχετες σε αυτήν τη προσέγγιση (παραμένουν φυσικά τεραστίας σημασίας για την επιβεβαίωση της γενικότερης συμφωνίας μεταξύ του ΚΠ και των δεδομένων, όταν κανείς εξετάζει άλλες παραμέτρους).

Τι θα πρέπει, λοιπόν, να κρατήσουμε από αυτό το διάγραμμα; Πιστεύω τουλάχιστον δύο πράγματα. Κατά πρώτον, ότι το ΚΠ θα προτιμούσε τη μάζα του W λίγο πιο κάτω από τη σημερινή τιμή της και την αντίστοιχη του τοπ λίγο πιο πάνω. Η διαφωνία είναι βέβαια πολύ μικρή -μιλάμε μόνο για κάτι παραπάνω από μία τυπική απόκλιση. Το δεύτερο είναι πως η MSSM δεν σκοτώνεται από αυτές τις μετρήσεις -θα επιβίωνε ανεξάρτητα από τη συγκεκριμένη τιμή των μαζών των W και τοπ, όπως φαίνεται από το εύρος της πράσινης περιοχής.

Α και ένα τρίτο σημείο -οι πειραματικές μετρήσεις αυτών των ποσοτήτων είναι πραγματικά εκπληκτικές!

Θα μπορούσε να σκεφτεί κανείς και διάφορα άλλα, όμως θα σταματήσω εδώ για απόψε. Αύριο θα πάρω το τραίνο στις 6 το πρωί, με προορισμό τη Ρώμη, όπου και θα συμμετάσχω σε μία διήμερη ανοιχτή συζήτηση που διοργανώνει το INFN, με την ονομασία “WHAT NEXT”. Μία πολύ ενδιαφέρουσα συζήτηση για τα σχέδια της ιταλικής έρευνας για το μέλλον, με βάση τη σημερινή κατάσταση στη σωματιδιακή φυσική, αστροφυσική, κοσμολογία, και άλλους θεμελιώδεις τομείς. Θα μεταφέρω νέα από εκεί σύντομα…

Αρχικό Άρθρο:
www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/standard_model_or_minimal_susy-133547
6 Απριλίου 2014

Posted in Θεωρία | Tagged , , | Γράψτε ένα σχόλιο