Νέες επιβεβαιώσεις για τα Y(4140) και Y(4270) από το BaBar

Το Y(4140), ένας συντονισμός που βρέθηκε από τις διασπάσεις μεσονίων Β σε τελικές καταστάσεις (states) J/ψ φ K, πρωταγωνιστεί πλέον σε μία μεγάλη ιστορία. Αρχικά, παρατηρήθηκε από το CDF σε 4 inverse femtobarns δεδομένων του Run 2 και συγκεκριμένα από τον Kai Yi, έναν πολύ δραστήριο -και θα ήθελα να προσθέσω, έναν ιδιαίτερα πετυχημένο- «bump hunter» στο πείραμα αυτό.

Ο Kai έπρεπε να περάσει για μεγάλο χρονικό διάστημα από μια διαδικασία επανεξέτασης εντός της κοινοπραξίας του CDF, προτού δει τις αποδείξεις του για το νέο σωματίδιο να είναι επιτέλους σε θέση να δημοσιευθούν. Μάλιστα, η προσθήκη επιπλέον δεδομένων στην ανάλυση, ένα χρόνο μετά, άφησε πολλούς μέσα στο CDF με την υποψία πως το σωματίδιο μάλλον υπήρχε μόνο στα μάτια του Kai: Στα νέα δεδομένα δε φαινόταν να υπάρχει καμία καθαρή ένδειξη για τον συντονισμό που είχαν δει προηγουμένως.

Παρόλα αυτά, η ομάδα του CDF δημοσίευσε εν τέλει τα αποτελέσματα της πλήρους ανάλυσης, τα οποία – όταν το υπόβαθρο προσαρμόστηκε με μία περισσότερο «physics motivated» και λιγότερο συντηρητική συνάρτηση- έδωσαν μία μεγαλύτερη στατιστική σημαντικότητα για το παρατηρηθέν φαινόμενο. Ήταν μια κάπως αμφιλεγόμενη κατάσταση.

Μετά τη δημοσίευση από το CDF, πολλά πειράματα παρουσίασαν έρευνες για την δομή αυτή: Ενώ το CMS σύντομα έδωσε ένα σήμα στα δεδομένα του που επιβεβαίωνε την ύπαρξη κάποιου συντονισμού, και ενδείξεις για ακόμη έναν συντονισμό 130MeV περίπου πιο ψηλά στην ενεργειακή κλίμακα, η ομάδα του LHCb διέψευσε την παρουσία αυτών των σημάτων.To DZERO μετέπειτα επιβεβαίωσε το εύρημα του CDF.

Συνολικά, η κατάσταση θα μπορούσε να είναι και πιο καθαρή μετά από την προσεκτική εξέταση από τέσσερα πειράματα παρόμοιων δεδομένων. Κάποιοι συνεχίζουν να υποστηρίζουν πως οι δομές αυτές δεν είναι σωματίδια αλλά παραμορφώσεις των κινηματικών κατανομών των σωμάτων που παράχθηκαν από τις διασπάσεις των αδρονίων Β, εξαιτίας των όχι και τόσο καλά κατανοητών δυναμικών επιδράσεων (dynamical effects). Εμένα, τα Y(4140) και Y(4270) μου φαίνονται πλέον εδραιωμένοι συντονισμοί, και δεν καταλαβαίνω τις ενστάσεις, παρά το ότι μπορεί απλά να βλέπω τα πράγματα λίγο απλοϊκά. Το πιο ενδιαφέρον ζήτημα κατά την γνώμη μου παραμένει το ότι το LHCb, που φέρεται να είναι το καλύτερα εξοπλισμένο από τα τέσσερα προαναφερθέντα για να παράγει αποτελέσματα σχετικά με τα μεσόνια Β, είναι και αυτό που δεν κατάφερε να δει τίποτα: φαίνεται σαν να είναι η ανωμαλία πλέον στο LHCb…

Εν τω μεταξύ, ένα άλλο πείραμα αφοσιωμένο στη φυσική των Β μεσονίων, το BaBar, κοίταξε για Υ καταστάσεις στο δείγμα δεδομένων του, και έχει βρει αποτελέσματα που είναι ακόμα ανοικτά για διαφορετικές ερμηνείες. Αλλά, και πάλι, εγώ τα παίρνω ως επιπλέον επαληθεύσεις του αρχικού σήματος από το CDF.

H κατανομή μάζας που εξήχθη από την ανάλυση του BaBar φαίνεται στα δεξιά. Ως συνήθως, τα μαύρα σημεία είναι τα πειραματικά δεδομένα, η κόκκινη καμπύλη είναι η ερμηνεία που περιλαμβάνει τις δύο δομές, και η μπλε καμπύλη δείχνει το μοντέλο που περιέχει μόνο το υπόβαθρο. Όπως μπορείτε να δείτε, η προσαρμογή που περιλαμβάνει τις δύο δομές συντονισμού,  αποτελεί πολύ καλύτερο μοντέλο για τα δεδομένα, σε σχέση με μία απλή κατανομή «φασικού χώρου» (phase space).
Σημειώστε πως στο παραπάνω διάγραμμα, τα ιστογράμματα του BaBar αναφέρονται στο τετράγωνο της μάζας, για λόγους που δεν θα εξηγήσω εδώ. Επίσης, σημειώστε πως το BaBar κάνει το σύνηθες λάθος να σχεδιάσει τις sqrt(N) γραμμές σφάλματος στα δεδομένα τους. Αυτό είναι κατά τη γνώμη μου παραπλανητικό, και πραγματικά πολύ ατυχές. Ας γίνω λοιπόν λίγο επικριτικός παρακάτω για να σας εξηγήσω τι εννοώ.

Diatriba mode on

Όταν κανείς επιλέγει να σχεδιάσει ένα σημεία με μία γραμμή σφάλματος σε ένα ιστόγραμμα όπου παριστάνεται μία καταμέτρηση γεγονότων, σχεδιάζει δύο πράγματα ταυτόχρονα, ανεξάρτητα από το εάν το αντιλαμβάνεται ή όχι. Σε κάθε κλάση, το σημείο δείχνει και τον αριθμό των γεγονότων που παρατηρούνται -ένας αριθμός χωρίς κάποιο σφάλμα-, καθώς και την Εκτίμηση Μέγιστης Πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood Estimate -MLE) για τον μέσο όρο μ της διαδικασίας Poisson που έχει δώσει αυτές της μετρήσεις στην συγκεκριμένη κλάση. Τα δύο αυτά συμπίπτουν.

Το πρώτο δεν περιέχει κάποιο σφάλμα. Το δεύτερο όμως έχει, και επομένως μπορεί κανείς να προσδώσει σε κάθε σημείο μία γραμμή σφάλματος. Τονίζω πως η γραμμή αυτή σχετίζεται με την MLE, και όχι με τον αριθμό των γεγονότων, ο οποίος επαναλαμβάνω δεν έχει κάποια αβεβαιότητα. Έτσι αυτές οι γραμμές υποτίθεται πως παριστάνουν ένα εύρος για τις πιθανές τιμές που μπορεί να πάρει ο μέσος μ της διαδικασίας Poisson. Χωρίς κάποια περαιτέρω διευκρίνιση υποτίθεται πως οι γραμμές αυτές θα πρέπει να περιλαμβάνουν το 68% των πιθανών τιμών (ως το διάστημα [-σ,+σ] γύρω από την μέση τιμή σε μία γκαουσιανή καμπύλη), αυτόν τον ρόλο δηλαδή περιμένουμε να παίζουν οι γραμμές στο γράφημα. Αλλά, εδώ, δεν συμβαίνει αυτό! Σε περιπτώσεις όπου έχει καταμετρηθεί πολύ μικρός αριθμός γεγονότων, η γραμμή σφάλματος «μ-sqrt(μ)»-«μ+sqrt(μ)» όπως παραπάνω έχει πολύ κακές ιδιότητες κάλυψης. Με άλλα λόγια, η γραμμή αντιπροσωπεύει μία πολύ μικρότερη διακύμανση για τις πιθανές τιμές του μ από ό,τι υπαινίσσονται οι συντάκτες. Όχι το 68% αλλά σε κάποιες περιπτώσεις πολύ λιγότερο.

Η λύση σε αυτό έχει βρεθεί εδώ και 80 χρόνια, χάρις στον Garwood, και είναι η σχεδίαση των «κεντρικών» ασύμμετρων γραμμών σφάλματος («central» asymmetric error bars), οι οποίες ορθώς καλύπτουν το 68%. Αυτές εξάγονται από έναν απλό κανόνα, αντιστρέφοντας το λεγόμενο «Neyman construction». Προσπερνώντας αυτήν τη λεπτομέρεια, είναι ενοχλητικό να βλέπει κανείς αξιόλογα πειράματα να δημοσιεύουν τέτοια κάπως ατελή γραφήματα.

Και εάν νομίζετε πως αυτό είναι μία ασήμαντη λεπτομέρεια, σκεφτείτε το ξανά: αυτές οι γραμμές σφάλματος υπάρχουν εκεί για κάποιον λόγο και δεν θα πρέπει να είναι παραπλανητικές. Πιο συγκεκριμένα, όταν κανείς χρησιμοποιήσει την προσαρμογή μέγιστης πιθανοφάνειας για τα σημεία, ο «χρήστης» αυθόρμητα θα συγκρίνει την καμπύλη με το πόσο κυμαίνονται τα σημεία γύρω της. Οι γραμμές σφάλματος που καλύπτουν μικρότερο διάστημα από το 68%, θα οδηγήσουν τον χρήστη στο συμπέρασμα πως η προσαρμογή των δεδομένων δεν είναι καλή – αλλά η προσαρμογή χρησιμοποίησε την κατανομή Poisson των δεδομένων, και όχι την γκαουσιανή προσέγγιση sqrt(N) ! Πάρτε για παράδειγμα ας πούμε το σημείο με τετμημένη 19 στο γράφημα παραπάνω: φαίνεται σαν να απέχει 3 με 4 τυπικές αποκλίσεις από την προσαρμοσμένη κόκκινη καμπύλη, αλλά με γραμμές σφάλματος που καλύπτουν το σωστό διάστημα θα είχε γίνει σαφές πως η διαφωνία δεν είναι τόσο μεγάλη.

Εάν νομίζετε πως οι asymmetric error bars «μπερδεύουν τον αναγνώστη», κάνετε λάθος. Εμείς στα αποτελέσματα μας στη φυσική υψηλών ενεργειών δημοσιεύουμε συνέχεια διαστήματα εμπιστοσύνης και τώρα σε ένα ιστόγραμμα θα πρέπει να «προστατεύσουμε» τον καημένο τον αναγνώστη που θα μπερδευόταν από μία μη-sqrt(N) γραμμή σφάλματος;

Πίσω στις καταστάσεις Y

«Ζυγίζοντας» τα σήματα, βρίσκουν τις παρακάτω εκτιμήσεις για το κλάσμα των «resonant» contributions: f(4140) = 7.3%, f(4270)=7.7%. Και οι δύο εκτιμήσεις περιέχουν μία αρκετά μεγάλη αβεβαιότητα, 4.5% και 6.4% αντιστοίχως (όπου εδώ έχω συνδυάσει τα στατιστικά και τα συστηματικά σφάλμα). Ας κοιτάξουμε τώρα και σε αποτελέσματα από άλλα πειράματα. Αυτά βρίσκουν τα εξής:

exp     Y(4140) fraction / Y(4270) fraction
—————————————————-
CDF:         14.9±3.8%    /    N/A
DZERO:       19±8%      /     N/A
CMS:           13.4±3%    /    18.0±7.3%
LHCb:        < 7%            /    < 8%

(Αποποίηση ευθυνών: Σημειώστε πως βασίζομαι σε πληροφορίες από την ομιλία της Elisa Fioravanti στη Lake Louise, εδώ); οι αριθμοί για το CMS είναι δικές της εκτιμήσεις και δεν φέρω ευθύνη για αυτούς- για την ακρίβεια είμαι πολύ «τεμπέλης» σήμερα για να πάω να τους ελέγξω.)

Εξαιρουμένου του LHCb, φαίνεται να είναι το Y(4140) μία καλά εδραιωμένη δομή που εμφανίζεται στο 14% των διασπάσεων, και τα ίδια ισχύουν λίγο πολύ και για το Y(4270), το οποίο εμφανίζεται σε παρόμοιο ποσοστό των διασπάσεων. Συμπεριλαμβανομένου και του LHCb, τα πέντε σύνολα δεδομένων φαίνονται κάπως αντιφατικά, όχι όμως τόσο ώστε να αμφιβάλει κανείς για το εάν είναι οι δομές αυτές πραγματικές. Αυτή είναι τουλάχιστον η προσωπική μου ερμηνεία για το πως έχουν τα πράγματα αυτήν τη στιγμή.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/more_confirmations_y4140_and_y4270_babar-130287
24 Φεβρουαρίου 2014

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Πείραμα. 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