Muchos medios se han hecho eco del posible e inesperado descubrimiento de una nueva partícula elemental en el segundo acelerador de partículas más grande del mundo, llamado Tevatrón, situado en el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) en Batavia, cerca de Chicago, EE.UU. En Amazings.es nos ha deleitado con la noticia Arturo Quirantes en “A golpes de nucleón.” Algunos lectores quizás quieran un poco de información, algo más técnica, sobre esta noticia. Permitidme unos apuntes al respecto (quien quiera más detalles puede preguntarme en los comentarios). Os adelanto que en mi opinión la “nueva partícula” no existe y es sólo una fluctuación estadística en los datos.
¿Cómo funciona el Tevatrón?
En el Tevatrón se estudian las colisiones de protones contra antiprotones que recorren su túnel circular de 6’3 km de longitud y chocan entre sí con una energía total en el centro de masas de 1’96 TeV, que se lee teraelectrónvoltio o un billón de electrónvoltio; un electrónvoltio es la cantidad de energía que gana un electrón acelerado por una diferencia de potencial de un voltio y es una buena medida para la energía en reacciones químicas pero es muy pequeña para la energía en los grandes aceleradores de partículas. Por ejemplo, un protón tiene una masa de 0’938 GeV, que se lee gigaelectrónvoltio o mil millones de electrónvoltio, por lo que 1’96 TeV equivale a la masa de 2090 protones, una energía suficiente para producir un gran número de partículas elementales de baja masa en cada colisión.
En el Tevatrón hay dos grandes experimentos que estudian estas colisiones llamados CDF (Collider Detector at Fermilab) y DØ (DZero es el nombre del punto del túnel donde se encuentra este dectector). La noticia que ha llegado a los medios ha nacido en el experimento CDF, una mole de 5000 toneladas y 12 metros cúbicos que se encuentra en el punto BØ del túnel que empezó a estudiar colisiones protón-antiprotón en 1985 y cuyos detectores fueron actualizados por última vez en 2001 (Run II).
Los protones (y antiprotones) son partículas compuestas de quarks y gluones; por ello, en las colisiones protón-antiprotón lo que en realidad colisionan son sus constituyentes: quarks, antiquarks y gluones. La “nueva partícula” se ha descubierto al estudiar 4’3 /fb, que se lee inversos de femtobarn o milibillonésimas de barn, de colisiones protón-antiprotón en el experimento CDF. Los barn son unidades de área y miden el área eficaz que ofrece una partícula que colisiona con otra partícula. Para una colisión protón-antiprotón en el Tevatrón este área efectiva es de 80 mb, léase milibarn o milésima de barn. Podemos calcular el número total de colisiones protón-antiprotón que hay en 4’3 /fb como el producto 0’08 x 4’3 x 1015 = 344 billones de colisiones.
Hay que recordar que en el Tevatrón no colisionan un solo protón contra un solo antiprotón (sería casi imposible acertar porque su área eficaz de colisión es muy pequeña), sino un paquete (bunch) de muchos miles de millones de protones contra otros tantos antiprotones. Más aún, el túnel del Tevatrón es recorrido por unos 140 paquetes de protones. Como resultado, se producen del orden de 25 millones de colisiones protón-antiprotón por segundo. Sólo algunas de estas colisiones son almacenadas en disco duro gracias a un sistema de disparo (trigger) que almacena en disco sólo las colisiones que parecen más prometedoras.
La señal de la “nueva partícula”
La señal de la “nueva partícula” no se ha observado en todas las colisiones almacenadas , sino solamente en las llamadas eventos WW/WZ que se indican en la figura de arriba de forma esquemática. En las colisiones estudiadas un quark del protón y un antiquark del antiprotón producen dos bosones vectoriales W y Z, o un par de W (los bosones vectoriales W y Z son las partículas mediadoras de la interacción débil y son parecidas a un “fotón con masa”). Más aún, se han considerado sólo las colisiones en las que un bosón vectorial, W o Z, se desintegra en un par quark-antiquark de alta energía que produce sendos chorros (jets) de partículas de menor masa, y el otro W se desintegra en un leptón (electrón o muón) y un neutrino. El neutrino no se observa en el experimento directamente, sino que se observa como una pérdida de energía en la colisión.
Este tipo de colisiones son difíciles de estudiar porque medir la energía total de un chorro de partículas presenta cierta incertidumbre, pues hay que sumar la energía de todas las partículas de baja masa del chorro y cada una de ellas tiene una incertidumbre estadística y todas estas incertidumbres se suman entre sí. Por ello se estima que el error en el cálculo de la energía de un chorro es del orden del 1%. La medida de la energía de dos chorros y la de la pérdida de energía que indica la presencia del neutrino conduce a un error estadístico del orden del 3%. Este tipo de errores sistemáticos y estadísticos complican la interpretación de los resultados de las colisiones.
¿Cuántos eventos WW/WZ se han observado? En física de partículas, debido a la incertidumbre en la medida de los parámetros de la colisión, no se puede dar un número exacto de eventos, sólo una estimación. En los 4’3 /fb de colisiones estudiados se estima que se han observado 1582 ± 295 eventos (candidatos a) WW/WZ . Fíjate que la incertidumbre en este número es del orden del 18%. Estas colisiones ya fueron estudiadas en detalle en 2010 e indican que se produce un evento WW/WZ cada 18’1 ± 4 pb, léase picobarns o billonésimas de barn, de colisiones; la predicción según el modelo estándar es de 15’9 ± 1 pb. Por tanto, estas colisiones son compatibles con la hipótesis de que no haya ninguna nueva partícula “oculta” en estos datos y así se indicó en el artículo de agosto de 2010 que presentó este análisis.
Esta es la figura clave del artículo de agosto de 2010. En el eje horizontal aparece la masa equivalente a la energía del bosón W que se desintegra en los dos chorros (obtenida sumando la energía de ambos chorros por separado y denotada Mjj). En la parte (a) aparece el número de colisiones observadas que presentan una señal parecida a la de un evento tipo WW/WZ agrupadas (binning) en intervalos de 10 GeV en la masa (por ejemplo, la columna para Mjj=100 cuenta el número de eventos observados con 95 < Mjj < 105). Los 1582 ± 295 eventos tipo WW/WZ son muy pocos y hay que compararlos con la predicción teórica del modelo estándar (parte sombreada en verde). En la parte (a) de la figura, todos los eventos de fondo (background), eventos cuyo resultado final en los detectores se parece a un evento WW/WZ pero que se cree que no lo son, se muestran en la parte rallada de la figura. Su número depende de las estimaciones teóricas del modelo estándar. En la parte (b) de la figura se ha restado la contribución de la parte rallada y se presenta la parte verde como una línea continua y los eventos candidatos a WW/WZ observados como triángulos pequeños. Los datos observados tienen una cruz que indica la incertidumbre experimental estimada en teoría. Mira esta figura un rato; ¿te parece que haya algo especial alrededor de Mjj=150?
Algunos físicos teóricos vieron algo alrededor de Mjj=150, donde hay tres triángulos por encima de la línea continua. Esos tres triángulos parecen una simple fluctuación estadística si los comparamos con los triángulos alrededor de Mjj=50. Sin embargo, la inquietud de los físicos teóricos ha obligado a los físicos experimentales a realizar un nuevo análisis de los mismos datos de colisiones, que es lo que se ha publicado ahora en abril de 2011 y ha generado cierto revuelo mediático. Antes de nada me gustaría que volvieras a mirar la parte (a) de la figura de arriba, la zona indicada con un rallado en azul (QCD) y en gris (Top). Estas zonas ralladas corresponden a predicciones teóricas del modelo estándar que podrían sufrir alguna corrección en los próximos meses. Dicha corrección podría hacer que desapareciera la fluctuación alrededor de Mjj=150 o que creciera.
Los físicos experimentales de CDF han publicado un nuevo análisis de los mismos datos de colisiones que se resume en esta nueva figura, publicada en abril de 2011. Ahora los eventos WW/WZ se han contado (agrupado) de forma diferente, en intervalos de Mjj de solo 5 GeV, por eso parece que hay más datos experimentales aunque en realidad son los mismos. Fíjate que la escala vertical ahora es más pequeña. En esta nueva figura la línea roja es la predicción teórica según el modelo estándar para los eventos WW/WZ y la parte rallada es la incertidumbre teórica. En esta figura, la fluctuación alrededor de Mjj=150 se ve muy bien (quizás demasiado bien). Se trata de una fluctuación a 3’2 sigma, es decir, con una probabilidad del 99’75% de ser verdadera. Para mostrar mejor esta fluctuación se ha aproximado por una campana de Gauss (la línea azul). Podría parecer que un 99’75% de probabilidades de que esta fluctuación sea una “nueva partícula” y no un mero artefacto es una probabilidad muy alta, pero no es así. En física de partículas un descubrimiento requiere 5 sigma, es decir, una probabilidad de 99’99995%. La historia de la física de partículas está repleta de fluctuaciones a 3 sigma que se han quedado en eso tras un análisis posterior con más colisiones o con estimaciones teóricas más precisas.
La fluctuación observada en la figura de arriba con 4’3 /fb de datos de colisiones será estudiada este verano con casi el doble de colisiones (CDF ya ha recogido más de 7 /fb de colisiones). Además, dado el revuelo mediático que ha provocado, el otro experimento del Tevatrón, DZero, también publicará este verano su búsqueda de esta fluctuación. Y por supuesto, el LHC del CERN tampoco permanecerá callado al respecto. En mi opinión, a finales del verano de 2011 se publicará una confirmación o una refutación de esta fluctuación. No quiero ser abogado del diablo, pero yo creo que la fluctuación desaparecerá por más que me gustaría lo contrario.
¿Qué puede ser la “nueva partícula” si se confirma la fluctuación? Aunque se han oído rumores de que podría ser un tipo de bosón de Higgs, dichos rumores tienen muy poco fundamento. Lo que indican los datos es que se trataría de una “nueva partícula” que prefiere interaccionar con hadrones en lugar de con leptones, es decir, una partícula cromofílica o hadrofílica (también se podría decir leptofóbica). Esta “nueva partícula” más allá del modelo estándar sería la señal de la existencia de una nueva fuerza o interacción fundamental que habría que añadir a la interacción electrodébil y a la fuerte. Hay varias propuestas teóricas posibles (un bosón Z’ especial o un tecnopión), pero todavía es pronto para que redoblen las campanas. Muchos físicos teóricos están estudiando todas las alternativas posibles y en los próximos meses se publicarán muchas otras propuestas.
En resumen, ver algo en una fluctuación estadística es fácil (como el que mira una nube y ve un conejo), pero habrá que ser pacientes y esperar hasta este verano para confirmar si el Tevatrón ha observado una nueva partícula o todo esto es una falsa alarma. Y no seáis mal pensados, no se ha publicado este resultado porque el Tevatrón vaya a ser cerrado en septiembre de 2011; este tipo de resultados se publican muy a menudo y son el motor de las propuestas teóricas arriesgadas de los físicos, son los resultados que hacen que la física de partículas elementales sea fascinante.
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