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Artículo publicado por Sarah Charley el 18 de marzo de 2016 en Symmetry Magazine

Un pico en los datos del LHC ha entusiasmado a los físicos pero, ¿qué significa?

En diciembre, los experimentos ATLAS y CMS presentaron nuevos datos recopilados durante los primeros meses de la tremendamente energética segunda ejecución del LHC. Ambos experimentos informaron de un pequeño exceso de pares de fotones con una masa combinada de alrededor de 750 GeV. Este pequeño exceso podría ser la primera pista de una nueva partícula masiva que emite dos fotones cuando se desintegra, o podría ser una fluctuación casual que desaparecerá con más información.

Colisiones en CMS

Colisiones en CMS

Ahora, los físicos han presentado sus últimos análisis en la conferencia Moriond en La Thuile, Italia, incluyendo una investigación completa de este misterioso pico. Tras un cuidadoso chequeo, comprobación cruzada, y recomprobación de los datos, ambos experimentos han llegado a la misma conclusión — el pico sigue ahí.

“Hemos recalibrado nuestros datos y hemos hecho varias mejoras en nuestros análisis”, señala Livia Soffi, posdoctorada en la Universidad de Cornell. “Estos son los mejores y más refinados resultados que tenemos, pero aún estamos trabajando con la misma cantidad de datos que recopilamos en 2015. En este punto, sólo más datos podrían cambiar significativamente nuestra investigación en curso”.

Los físicos del LHC hacen uso de una miríada de potentes herramientas para investigar los misterios del universo: un acelerador de partículas de 27 kilómetros; enormes y complejos detectores de partículas; y una red mundial de centros de cálculo. Pero de todos estos recursos, hay una herramienta que puede crear o acabar con cualquier potencial descubrimiento — la estadística.

En 2015, los científicos del LHC registraron datos procedentes de 20 billones de colisiones protón-protón. Una pocas decenas de miles de estas colisiones produjeron simultáneamente un claro par de fotones de alta energía. Alrededor de 1200 de estos pares de fotones tenían una energía combinada de 125 GeV (los científicos ahora saben que el bosón de Higgs generó unos 100 de ellos. Los otros 1100 se produjeron mediante procesos normales y conocidos). Si nos movemos hacia energías más altas, el espectro empieza a fluctuar más y más conforme se registran cada vez menos pares. Alrededor de los 750 GeV, los científicos observaron apenas unas pocas docenas de pares de fotones, y un puñado más de lo que se predijo.

Pero saber si este puñado extra es prueba de una nueva partícula, o sólo otra fluctuación estadística normal es, básicamente, como lanzar una moneda al aire.

“En física, a veces vemos excesos que se deben a fluctuaciones estadísticas conforme avanzamos hacia energías cada vez mayores”, comenta Massimiliano Bellomo, posdoctorado en la Universidad de Massachusetts, en Amherst. “Actualmente estamos al borde de nuestra sensibilidad y no podemos confirmar o excluir ningún pico de los que estamos observando hasta que no tengamos más datos”.

Por sí mismo, un pequeño pico no significa nada. Pero el entusiasmo aumenta cuando dos experimentos independientes empiezan a ver el mismo pico que aparece una y otra vez.

“Vi esta fluctuación cuando trabajaba en mi tesis doctoral con datos de CMS de la primera ejecución, y no me llamó la atención”, señala Soffi. “Ahora CMS y ATLAS lo han visto otra vez en los nuevos datos. Fácilmente podría ser una coincidencia, pero si sigue apareciendo, entonces podríamos tener algo”.

Para los nuevos análisis, el experimento CMS incorporó aproximadamente un 20% más de datos — datos que se registraron durante la segunda ejecución, cuando el imán del CMS estaba apagado. También recalcularon la energía de las partículas registradas por el detector usando unas calibraciones más refinadas. Tras integrar estas dos mejoras en sus análisis, CMS aún sigue viendo el pico; y es ligeramente más pronunciado que antes.

Los científicos de ATLAS también están profundizando en el misterio. Esta semana volvieron a examinar los datos recopilados en la primera ejecución del LHC para ver si este recalcitrante pico hacía otra aparición. Los científicos realizaron dos búsquedas independientes, cada una empleando un método ligeramente distinto para clasificar y separar los pares de fotones. En un análisis, los científicos vieron de nuevo un pequeño exceso de pares de fotones en 750 GeV. Pero en el otro análisis, no vieron nada fuera de lo común. Una investigación posterior de datos en 13 TeV de 2015 demuestra que el pico sigue ahí, pero no es significativo.

“El resultado final es que no podemos decir nada definitivo hasta que no tengamos más datos”, dice Beate Heinemann, investigador en el Laboratorio Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos y vice-portavoz del experimento ATLAS. “Por tanto, ahora nos estamos centrando en estar listos para registrar y analizar la gran cantidad de datos que el LHC nos proporcionará este año”.

Incluso con la limitada cantidad de datos, los físicos miran al futuro y especulan qué podría ser este pequeño pico, si crece con el tiempo. Una popular y emergente teoría es que podría ser la primera visión de un primo más pesado del bosón de Higgs.

“Hemos descubierto un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV”, dice Andrei Gritsan, profesor de física en la Universidad Johns Hopkins. “Estamos tratando de comprender más profundamente este bosón, pero al mismo tiempo estamos buscando otros posibles bosones de Higgs con masas mayores. Estamos entusiasmados con el exceso en 750 GeV en un canal de desintegración, pero tenemos que establecer si la señal es real, y si aparece en todos sitios antes de que podamos decir algo sobre ella. Por ahora todo lo que podemos hacer es lanza hipótesis y especular”.

Si este pico es prueba de un nuevo bosón, los teóricos predicen que se transformará en un amplio surtido de partículas — no sólo en dos fotones. Por ejemplo, un primo más pesado del bosón de Higgs probablemente se comportaría como el bosón de Higgs conocido en 125 GeV, que emite un par de bosones Z, un par de bosones W, o un par de fotones cuando se desintegra.

Los experimentadores recientemente agruparon los pares de bosones Z y de bosones W con aproximadamente la misma energía, y compararon el número de pares por grupo con los totales predichos, generados por miles de simulaciones por computador.

“Las pruebas de más pares de los predichos materializándose de nuevo en los 750 GeV sería emocionante”, comenta Jim Olsen, profesor de física en la Universidad de Princeton. “Y entonces, la cuestión sería si, y cómo, se relacionan todas las observaciones”.

Pero tras realizar estos análisis, los científicos informan de que no han observado nada fuera de lo común en ningún otro canal. Los científicos también están cartografiando las energías de los bosones Z emparejados con un fotón, un canal que los teóricos predicen que podría ser una mina de oro para nuevos fenómenos físicos. Pero los primeros resultados no muestran anomalías.

Los físicos están al inicio de la segunda ejecución del LHC y han recopilado aproximadamente una décima parte de los datos tomados en la primera ejecución. Los nuevos datos proceden de colisiones que son 1,6 veces más energéticas que en la primera ejecución y abren un nuevo régimen de energías que anteriormente no estaba accesible. Pero los físicos necesitan tiempo para acumular datos.

“Esperamos lograr un factor de 30 veces más datos a lo largo del curso de los próximos tres años, lo cual nos permitirá estudiar mejor este alto rango de masas”, comenta Bellomo. “Seguiremos recopilando datos de nuevo a finales de primavera, y deberíamos poder decir mucho más sobre este pico, y sobre otras investigaciones, para finales de verano”.

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