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Un exceso de fotones en el Gran Colisionador de Hadrones

  • Joel Jones
    Docente del Departamento de Ciencias

Actualmente, el experimento de vanguardia en física de partículas es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en el CERN. Su mayor descubrimiento ha sido el bosón de Higgs, logrado por los detectores ATLAS y CMS en el 2012. Esta partícula es de suma importancia dentro del Modelo Estándar de Partículas Elementales, ya que se encarga de darle masa al resto de partículas conocidas, tales como el electrón y los quarks.

En diciembre del año pasado, se vislumbró la posibilidad de tener un descubrimiento distinto, uno completamente inesperado y ajeno al Modelo Estándar. ATLAS y CMS, por separado, reportaron un exceso en la producción de pares de fotones, en una región energética alrededor de 750 GeV, con una certeza estadística relevante.

Antes de continuar, entendamos qué significa lo que acabo de mencionar. Regresemos al descubrimiento del Higgs. El Higgs no es una partí- cula estable, luego de ser producido, “vive” por menos de 2×10-22 segundos, para luego desintegrarse en otras partí- culas. Detectar una partícula neutra que existe por un tiempo tan corto es imposible, por lo cual, los experimentos más bien miden los productos de su desintegración. Por ejemplo, el Higgs fue descubierto observando su desintegración a cuatro leptones cargados (por ejemplo, cuatro electrones), y su desintegración a un par de fotones.

Si un experimento detecta cuatro leptones viniendo de un punto, eso no significa que se haya observado un Higgs. Existen varios procesos que generan la misma señal. A estos, que no son de interés, se les llama background. Para poder afirmar que se ha observado un Higgs, se necesitan dos cosas: primero, entender perfectamente el background, saber cuántos eventos con cuatro leptones esperaríamos ver en promedio, sin contar aquellos del Higgs. Segundo, tener suficientes desintegraciones del Higgs, de modo que haya un exceso notable en eventos con cuatro leptones. Este exceso debe ser grande, en caso contrario podría deberse a una fluctuación estadística del background.

Aparece entonces una variable muy importante, llamada p-value, que se puede entender como la probabilidad de que el background sea responsable de la señal observada, o de cualquier otra menos compatible. Es decir, cuanto más pequeño el p-value, más confiable la señal. Cuando se observó la desintegración del Higgs en cuatro leptones, el p-value era igual a 0,0002 en ATLAS, y 0,0007 en CMS. Dándole aún más seriedad al descubrimiento, observaron otro exceso en pares de fotones, con un p-value de 0,000002 y 0,00003, respectivamente. Además, todos estos excesos eran consistentes con un Higgs con masa alrededor de 125 GeV. Con esto, se llegó a la conclusión de que era altamente improbable que las se- ñales fueran una fluctuación estadística del background, y el Higgs fue declarado descubierto.

¿Qué pasó en el 2015? ATLAS y CMS reportaron un nuevo exceso de pares de fotones, en una escala energé- tica distinta, con un p-value de 0,0002 y 0,005, respectivamente. En este caso, la probabilidad de ser causado por el background era mucho mayor, pero el que ambos detectores hubieran observado un exceso en la misma escala energética causó mucha emoción.

En seis meses, la comunidad teórica escribió unos 500 artículos científicos a partir de las evidencias. Todo apuntaba a un nuevo bosón, con una masa de 750 GeV, que se desintegraba en dos fotones. Modelos fueron modificados para incluir el nuevo bosón y la predicción general era que debería observarse además un exceso en producción de partículas Z, involucradas en la interacción débil.

Pasó el tiempo y en agosto de este año, en la conferencia ICHEP, en Chicago, ATLAS y CMS actualizaron sus resultados y recolectaron cuatro veces más datos que en el año 2015. De existir este nuevo bosón, el p-value debería disminuir aún más. De no existir, la señal desaparecería y todo el alboroto se hubiera debido a una fluctuación estadística.

Lamentablemente, el resultado fue lo segundo: con los nuevos datos, la señal desapareció, lo que llevó a la conclusión de que el nuevo bosón realmente no existe.

Este resultado anticlimático ha marcado un antes y un después en la física de colisionadores. En la conferencia ICHEP no solo se aniquiló al nuevo bosón, sino que no se ha reportado ninguna observación en contra del Modelo Estándar. Asimismo, por razones estadísticas, no se espera que en el LHC vuelva a ocurrir un descubrimiento tan importante y confiable como el del Higgs. Parece que, por el lado de colisionadores, la naturaleza ha decidido guardar muy bien sus secretos y, probablemente, tendremos que ser muy ingeniosos para desentrañarlos en el futuro.

Pues nada. Como se dice: “challenge accepted”.

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