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Producción de dos Bosones vectoriales débiles, W+W-, en el LHC

(Link al artículo publicado)


Los físicos de partículas llamamos Bosones Vectoriales a las partículas fundamentales que median entre las interacciones de la materia corpuscular.
Estamos hechos de quarks y leptones: los núcleos de los átomos están formados de quarks “up” y “down” y junto con el electrón, que es un leptón, forman el átomo. Pero estas partículas de materia necesitan fuerzas que las mantengan unidas.
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Según el intercambio de bosones vectoriales producido, existen tres tipos distintos de fuerzas:

  • ·Electromagnética, si las partículas intercambiadas son fotones.
  • ·Fuerte, que mantiene a los quarks juntos dentro del núcleo, si el intercambio entre ellos son gluones.
  • ·Débil, de vital importancia para nuestra vida por estar presente en todos los procesos nucleares de fusión del sol, si el intercambio son W o Z.
 

Entender los mecanismos de intercambio que intervienen en procesos de producción y desintegración es de crucial importancia para la teoría del modelo estándar de partículas. Desde los años 70-80 del siglo pasado, estos procesos se han estudiado detalladamente y  se han hecho muchas medidas de alta precisión que están de acuerdo con las predicciones que esta teoría hace, dándonos confianza en que nuestro entendimiento de la teoría electrodébil es correcta en los mecanismos que podemos estudiar con los datos que nos proporciona el acelerador LHC.


Gracias a estos estudios sabemos cómo y con qué tasa se desintegran estas partículas, y eso nos da una pista de cómo buscarlas en nuestros detectores.

Por ejemplo:

  • ·El bosón W se desintegra un 67% en quarks produciendo cascadas de partículas en el detector, un 11%  se desintegra a un par electrón-neutrino, y el resto a leptones, concretamente en muón  y tau  (que son como el electrón pero más pesadas) y sus compañeros los neutrinos .
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  • ·El bosón Z siempre se desintegra a un par de partículas iguales pero con cargas opuestas: un 70% lo hace en un par de quarks (quark-antiquarks), y el resto a un par de leptones, electron-positron, muon-antimuon, tau-antitau o neutrino-antineutrino.
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Hay muchas formas de buscar a los bosones vectoriales y de comprobar todos los cálculos y predicciones de la teoría electrodébil del modelo estándar.
Desde principios de este siglo, se está estudiando la producción de dos bosones vectoriales: (WW, WZ, ZZ, Wg, Zg, gg).

La situación es mucho más complicada porque su producción es menor, es decir, la probabilidad de producir dos bosones en vez de uno es mucho más baja, y además las combinaciones de desintegración de estas partículas se multiplican por dos. De este modo nosotros, los experimentales,  tenemos muchas formas de distinguirlos en el detector y de comprobar la teoría.  Estos procesos son muy interesantes al ser un test muy importante para la teoría, y además estudiando estos procesos se puede medir con precisión la interacción entre los propios bosones, predichos por la teoría, y que hasta ahora tienen muy poca precisión. Por lo tanto, estos estudios pueden descifrar la propia estructura de estas interacciones.  

Poder medir con mucha precisión la producción de estos procesos de dibosones y las distintas características de ellos, además de para testar el modelo estándar, sirve para detectar desviaciones de lo predicho dentro de esta teoría, lo que puede significar que estamos viendo física nueva, es decir fenómenos que son explicados por alguna teoría distinta a la que tenemos hasta ahora.
Además de ser interesantes en sí mismos, entender estos procesos es de vital importancia cuando hacemos análisis de datos para estudiar el Higgs o procesos descritos en alguna teoría de física nueva, como la  SuperSimetria o modelos que describen la materia oscura entre otros.Captura de pantalla 2016-07-11 13.59.26.png

En el IFCA estamos estudiando dos de estos procesos, WZ y WW, cuando los dos W/Z se desintegran a leptones (electrones o muones y neutrinos).
Recientemente, hemos hecho un análisis para estudiar la probabilidad de producción de dos bosones W cuando chocamos dos protones con una energía disponible de 13 TeV y que será publicada en una revista de primer nivel dentro de nuestro área. Estos datos fueron recogidos por el detector CMS, durante el año 2015.  
Durante este año hemos estudiado todos los posibles candidatos, tratando de distinguir los sucesos reales de otros procesos que los imitan mediante una cuidada selección que optimiza el rechazo de estos últimos mientras trata de conservar todos los verdaderos. Aún así, todos los procesos falsos no se pueden rechazar y por lo tanto tenemos que encontrar distintos modos de estimar la cantidad de ellos que todavía permanecen en nuestras muestras.
Otra parte muy importante es entender las características instrumentales del detector: la eficiencia que tiene, la sensibilidad a las distintas medidas de energía, momento, posición, identificación y estimar las incertidumbres que tenemos en todas las medidas y que afectan a la medida final.

La medida obtenida tiene un error del 10% y está de acuerdo con la teoría del modelo estándar.                     El error en la medida se mejorará con más estadística; esto es muy importante para poder probar el modelo estándar hasta sus últimas consecuencias y también buscar por nueva física (como ya se dijo antes). Ahora empezamos la toma de datos del 2016 que continuará hasta finales de año y se espera tener aproximadamente un factor 10 mas de datos que los que tenemos. Esta medida ya fue realizada a una energía de 8 TeV, con un resultado que también era consistente con las predicciones teóricas.

Este análisis de datos para obtener el resultado final ha sido hecho en conjunto con otros grupos nacionales como Universidad de Oviedo e internacionales como ETH Zurich (Suiza), Fermi National Acelerador Laboratory, Chicago (EEUU), Massachusetts Institute of Technology (MIT), Boston (EEUU), National Taiwan University (Taiwan), Kyungpook National University (Korea), Northeaster University (EEUU),  University of California at San Diego (UCSD), San Diego (EEUU), University of California at Santa Barbara (UCSB), Santa Barbara (EEUU), Kansas University, Kansas (EEUU), Punjab University, Chandigarh (India), University of Antwerpen (Belgium), University and INFN Firenze (Italy).

Esto puede parecer fácil, pero si tenemos en cuenta que guardamos del orden de 150 colisiones por segundo y que el acelerador está tomando datos durante meses casi sin parar, tenemos una cantidad ingente de choques, de los cuales muy pocos producen el proceso que buscamos.

La optimización de la selección es esencial para tener una buena medida, y estudiar el rendimiento del detector para nuestra señal es crucial, pues necesitamos saber con la mejor precisión posible qué eficiencia de detección tenemos para cada unos de los objetos reconstruidos, leptones, neutrinos, quarks, etc. Además, para uno de los cortes de la selección tenemos que estimar cada uno de los procesos que imitan nuestra señal para poderlos restar de nuestra muestra, estudiar todas las fuentes de error que van a afectar a nuestra medida y, por último, entender qué teoría estamos usando para que la comparación con nuestra medida sea apropiada.
Cada una de estas tareas lleva mucho tiempo y esfuerzo por parte de todos, así que lo que hacemos es dividir  las distintas tareas entre todo el equipo y reunirnos periódicamente para ver los avances y discutir sobre los siguientes pasos y dudas que tenemos.

Además de esta gente que hacemos este análisis en particular, todos los integrantes de la colaboración CMS, en la que nosotros trabajamos y que tiene más de 3000 personas trabajando, participan de este análisis, pues todos son necesarios para hacer posible el análisis de datos.

¿Por qué se necesita tanta gente para hacer el análisis de datos?
El detector es una aparato de 20 metros de alto por 40 metros de largo formado por muchos subdetectores, construidos con diferentes tecnologías para darnos las características de las partículas que se producen en cada colisión de la manera mas precisa posible; y también nos permite seleccionar y guardar en discos para analizar  solamente aquellas colisiones que son interesantes para nosotros y ¨tira a la basura¨ aquellos que ya no lo son porque han sido estudiados en otros experimentos anteriormente.  
Esta elección de colisiones interesantes se hace en tiempo real: el detector por si solo usa tanto hardware como algoritmos de selección diseñados especialmente para esto, con un diseño acorde para facilitar el análisis de datos al tener en cuenta que hay choques cada 0,000000025 s.
Además, todos los subdetectores tienen que estar calibrados y alineados unos con respecto a otros para dar el mejor rendimiento.

En resumen, millones de canales electrónicos de lectura tienen que ser leídos como un total para reconstruir las partículas que salen de cada choque y darnos las características de cada una de ellas: energía, posición, dirección e identificación… (si es posible).

Por ello se necesita una colaboración tan numerosa: todos los participantes tienen que realizar distintas labores que aseguren la construcción y mantenimiento de cada uno de los subdetectores y se calibren y alineen, además de que se realicen correctamente la toma de datos y podamos asegurar que las partículas que identificamos son correctas.  Como los datos que usamos para hacer los distintos análisis particulares dependen de que este trabajo esté hecho correctamente, todas las personas que trabajamos en estas tareas tenemos que aparecer en todos y cada uno de los análisis que publica CMS como colaboración.

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