Δύο νέα papers από το DZERO πάνω στη Φυσική Πιδάκων

Το πείραμα DZERO είναι ένας από τους δύο ανιχνευτές «πολλαπλών χρήσεων» που λειτουργούσε στον επιταχυντή Tevatron του Fermilab, συλλέγοντας συγκρούσεις 1.96 TeV πρωτονίων-αντιπρωτονίων μέχρι και πριν από δύο χρόνια, όταν και τέθηκε εκτός λειτουργίας.

Πειράματα τέτοιου είδους διαρκούν αρκετά περισσότερο από όσο λειτουργούν οι ανιχνευτές τους, και αυτό γιατί η εξαγωγή μετρήσεων ακριβείας από τα εκτενές σύνολο των δεδομένων που έχουν συσσωρευθεί, μπορεί να πάρει πολλά χρόνια ώσπου να ολοκληρωθεί. Και πράγματι, δεν είναι παράξενο το ότι υπάρχουν δύο νέα preprints στο Arxiv (εδώ and εδώ), τα οποία περιγράφουν λεπτομερώς τις πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιεί η σύμπραξη εκεί, ώστε να εξάγει φυσικά συμπεράσματα από τα δεδομένα.

Στα δύο αυτά papers περιγράφονται αντιστοίχως το fine-tuning του jet energy calibration και οι αλγόριθμοι για την αναγνώριση πιδάκων που προέρχονται από b κουάρκς (b-tagging algorithms). Οι πληροφορίες που περιλαμβάνουν είναι συμπληρωματικές προς τα διάφορα άλλα άρθρα που έχουν ήδη δημοσιευθεί, όπου περιέχονται μετρήσεις κατά τις οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί αυτές οι τεχνικές. Το γεγονός όμως πως κάποιες από τις διαδικασίες που περιγράφονται είναι καινούριες (όπως η μέθοδος «system 8» b-tagging) υποδηλώνει ότι το πείραμα ίσως θα μπορούσε ακόμη και τώρα να βελτιώσει μερικά από τα προηγούμενα αποτελέσματα του. Με άλλα λόγια, αυτές οι «τεχνικές» δημοσιεύσεις είναι κάθε άλλο παρά ένα κύκνειο άσμα. Δείχνουν πως ακόμη είναι δυνατόν να βελτιωθεί η ακρίβεια των μετρήσεων από τα δεδομένα του Run II, εφόσον, βέβαια, υπάρχει ακόμη διαθέσιμο ανθρώπινο δυναμικό εκεί ώστε να πραγματοποιήσει τις αναλύσεις.

Φυσικά το μεγαλύτερο μέρος των φυσικών που συνεχίζουν να υπογράφουν papers του DZERO -περίπου 400- έχει στρέψει το επίκεντρο της προσοχής τους σε άλλα πειράματα -ιδιαίτερα, στα ATLAS και CMS του Large Hadron Collider στο CERN. Και το ενδιαφέρον για τα δεδομένα που έρχονται από τον LHC είναι σαφώς μεγαλύτερο: αυτό είναι βέβαια πρόβλημα για το DZERO και το CDF, όσον αφορά την παράγωγή τελικών αποτελεσμάτων.

Αυτό είναι λίγο λυπηρό, καθώς, αν και σε πρώτο βαθμό στη σύγκρουση δύο αδρονίων δεν παίζει σημαντικό ρόλο τι ακριβώς είναι τα βλήματα, υπάρχουν όντως κάποια λεπτά σημεία που κάνουν τη φυσική των συγκρούσεων 2-TeV πρωτονίου-αντιπρωτονίου κάπως διαφορετική από αυτή των συγκρούσεων 8-TeV ή 13-TeV πρωτονίου-πρωτονίου. Έτσι η πληθώρα των δεδομένων που έχουν ληφθεί από το Fermilab δεν είναι τελείως άχρηστη τώρα που μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων συγκρούσεων υψηλότερων ενεργειών είναι διαθέσιμα στο CERN.

Ως παράδειγμα μιας φυσικής ιδιαιτερότητας των συγκρούσεων χαμηλότερης ενέργειας του Tevatron κανείς μπορεί να πάρει την ασυμμετρία στην παραγωγή ζεύγους τοπ κουάρκς , μία λεπτή διαφορά ανάμεσα στον αριθμό τοπ και αντι-τοπ που εκπέμπονται στην κατεύθυνση τις δέσμης των πρωτονίων. Θεωρητικά, η μελέτη αυτού του φαινομένου θα μπορούσε να αποκαλύψει μηχανισμούς παραγωγής ζεύγους τοπ εκτός του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ), όπως η διάσπαση ενός heavy state X. Μία τέτοια μέτρηση στον LHC δεν θα έφερνε αποτέλεσμα καθώς εκεί τα περισσότερα ζεύγη τοπ κουάρκ προέρχονται από διαδικασίες gluon-gluon fusion, και η αρχική κατάσταση είναι συμμετρική ως προς το φορτίο (ένα πρωτόνιο από την μία και ένα πρωτόνιο από την άλλη).

Μία άλλη ενδιαφέρουσα μέτρηση που δεν έχει γίνει μέχρι στιγμής είναι η ακριβής μέτρηση της μάζας του μποζονίου W από το DZERO χρησιμοποιώντας το σύνολο των δεδομένων του Run II (δεν γνωρίζω εάν μία τέτοια μέτρηση πραγματοποιείται αυτή την εποχή ή όχι). Η μάζα του W είναι φυσικά μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους του ΚΠ, και παρόλο που την γνωρίζουμε με ακρίβεια 0.02% κυρίως χάρις στη μέτρηση του CDF, μία επιπλέον βελτίωση στην ακρίβεια θα ξεκαθάριζε σημαντικά τη γενική εικόνα. Για να το καταλάβετε αυτό, απλά δείτε το γράφημα από κάτω, που δείχνει το αποτέλεσμα ενός global fit από το gFitter group.

Αυτό είναι ένα κάπως πολύπλοκο διάγραμμα οπότε ας εξηγήσω λίγο λεπτομερώς το τι συμβαίνει. Στον οριζόντιο άξονα έχουμε τη μάζα του τοπ κουάρκ, και στον κάθετο τη μάζα του μποζονίου W. Οι δύο ποσότητες συνδέονται στο ΚΠ με τη μάζα του μποζονίου Higgs (καθώς και με άλλες παραμέτρους, οι οποίες δεν φαίνονται εδώ). Η σύνδεση αυτή αναγκάζει «πιθανά σημεία» της θεωρίας να βρίσκονται εντός μίας διαγώνιας ζώνης, η οποία είναι αυτή με την επιγραφή «125.7 GeV» που υποδηλώνει πως η θέση της ζώνης αυτής όντως εξαρτάται από την τιμή της μάζας του Higgs. Όπως μπορείτε να δείτε, το αποτέλεσμα ενός global fit σε όλες τις observables του ΚΠ εκτός των μαζών του W και του τοπ, με το μπλε, βρίσκεται σε πολύ μεγάλη συμφωνία με την άμεση μέτρηση της μάζας του τοπ και του W (τα μαύρα σημεία με τις γραμμές σφάλματος). Μπορείτε να δείτε επίσης πως η παράμετρος με τη μεγαλύτερη ευαισθησία εδώ είναι η μάζα του W: μετακινώντας την μόλις κατά 0.01% (8MeV) μπορείτε πραγματικά να αλλάξετε την ποιότητα της συμφωνίας. Έτσι μία μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση της μάζας του W είναι ακόμη και σήμερα ένα ζητούμενο.
Επιστρέφοντας στα δύο νέα papers από το DZERO, ας δείξω εδώ ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα από το κάθε ένα. Στην εικόνα δεξιά μπορείτε να δείτε τη συνολική αβεβαιότητα στο jet energy scale για πίδακες σε τρεις διαφορετικές περιοχές ενεργειών (χαμηλή 25 GeV, μέτρια 100 GeV, και υψηλή 400 GeV εγκάρσια ενέργεια) ως συνάρτηση της pseudorapidity των πιδάκων ( μηδέν σημαίνει πίδακες κάθετοι στην διεύθυνση των δεσμών, και μεγάλες απόλυτες τιμές σημαίνουν μικρή γωνία σε σχέση με την διεύθυνση των δεσμών). Όπως μπορείτε να δείτε, το αποτέλεσμα των προσεκτικών μελετών όσον αφορά το καλιμπραρίσματος, είναι ένα τελικό σφάλμα μικρότερο από 2% στην ενέργεια των πιδάκων σε ένα ευρύ φάσμα ενεργειών και γωνιών.

Από την άλλη το γράφημα από κάτω, το οποίο έχω πάρει από το άρθρο για το b-tagging, δείχνει την επίδοση δύο διαφορετικών αλγορίθμων b-tagging στο DZERO. Επέλεξα αυτό, επειδή είναι ένας πολύ συνηθισμένος τρόπος για να παρουσιάσει κανείς την διακριτική ισχύ (power of discrimination) τέτοιων αλγορίθμων. Στον άξονα των x βρίσκεται το ποσοστό των πιδάκων που δεν περιέχουν ένα b-quark και λανθασμένα αναγνωρίζονται ως b-jets, και στον άξονα ψ το ποσοστό των b-πιδάκων που ορθώς επισημαίνονται από τον αλγόριθμο. Οι καμπύλες περιγράφουν τα πιθανά «operating points» των αλγορίθμων: επιλέγοντας το κλάσμα των «λανθασμένα θετικών» στον άξονα x μπορείτε να βρείτε την αντίστοιχη αποτελεσματικότητα στην αναγνώριση πραγματικών b-κουάρκ πιδάκων.  Με πολυπαραμετρικές τεχνικές το DZERO μπορεί εύκολα να φτάσει σε επίπεδα απόδοσης πάνω από 50% για επίπεδα εσφαλμένης ταυτοποίησης μόλις 1%, που επιτρέπει μία μεγάλη βελτίωση πχ στη δυνατότητα παρατήρησης διασπάσεων του Higgs σε ζεύγη b-quark.
Όποτε δεν έχουμε παρά να ελπίζουμε πως οι δύο νέες δημοσιεύσεις του D0 είναι μία ένδειξη για καλά αποτελέσματα στο κοντινό μέλλον, παρά απλώς μία αναφορά σε μετρήσεις που έχουν ήδη ολοκληρωθεί. Προς το παρόν, συγχαρητήρια στους συναδέλφους στο D0 για αυτήν την λεπτομερή ανάλυση -γνωρίζω εξ ιδίας πείρας πόσο δύσκολο είναι να βρεθεί το ανθρώπινο δυναμικό και για να παραχθούν παρόμοια άρθρα, στα οποία ναι μεν περιέχονται κρίσιμες λεπτομέρειες για την κατανόηση άλλων μετρήσεων, αλλά δεν προσφέρουν κάποιο συγκεκριμένο φυσικό αποτέλεσμα από μόνα τους.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/two_papers_dzero_jet_physics-127049
31/12/2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Tevatron and tagged . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s