Ciencia Kanija

Se ha hecho público un nuevo documento en la página web pública de CMS. Informa de un estudio al alcance del detector CMS, con datos recopilables en 2010, para una señal de las dimensiones extra de gran tamaño, usando la señal distintita de un chorro de alta energía retrocediendo contra – bueno, retrocediendo contra nada; o mejor aún, contra algo que dejó nuestro mundo y entró en otra dimensión del espacio.

Espero que ya hayas empezado a preguntarte de qué diablos estoy hablando, por lo que, por favor, permíteme darte un poco del trasfondo. En 1998 tres prominentes teóricos -Arkani-Hamed, Dimopoulos y Dvali – propusieron una hipótesis sobre la existencia de dimensiones espaciales extra de gran tamaño – donde “gran” significa a escala microscópica, pero aún así detectable en la vida cotidiana. Su idea era que si estas dimensiones extra existían más allá de las tres espaciales en las que vivimos, podrían resolverse algunos problemas de nuestra actual comprensión de la física subnuclear.

Si existieran las dimensiones espaciales extra, podríamos haberlas pasado por alto si fuesen muy pequeñas para nosotros – en la escala de milímetros o menos. Los experimentos de física general, tales como pruebas de las leyes de la gravedad a escala milimétrica – que podrían ser reveladores debido a que estas dimensiones adicionales del espacio causarían el colapso de la ley de atracción gravitatoria del cuadrado inverso – son difíciles de realizar, por lo que la aún existe posibilidad de que estén ahí. Y a tal longitud de escala le corresponde una energía específica a la cual los efectos resultantes de la física subnuclear podrían hacerse evidentes: resulta que tal energía sólo es alcanzable por los experimentos del LHC.

Una de las razones por las que la teoría es tan atractiva es que solventa uno de los obstáculos que tratamos de esquivar – el hecho de que la gravedad sea tan débil comparada con las otras tres fuerzas de la naturaleza. De hecho, la gravedad ni siquiera entra en el Modelo Estándar de la física de partículas, debido a que es irrelevante allí –las partículas sienten las interacciones electromagnética, débil y fuerte con una fuerza de varios órdenes de magnitud mayor que la interacción gravitatoria.

Si existen las dimensiones extra, la explicación se hace obvia: la gravedad es débil debido a que se extiende a otras dimensiones, aunque nosotros vivimos en una “hoja” (una brana) tetradimensional en este espacio multidimensional. Si no has estudiado mecánica cuántica, lo de arriba podría sonarte bastante misterioso, pero sólo piensa en una gota de tota roja en una piscina de agua, y en una gota de aceite en la misma piscina. Puedes ver el aceite debido a que se distribuye en una fina capa (nuestra “brana” si somos insectos de un lago), pero no detectarás fácilmente un enrojecimiento de todo el volumen de agua, debido a que la gota de tinta se mezcla con todo. Es decir, si vivimos en la superficie del agua, para nosotros la gota de pintura crea una pequeña diferencia, ¡mientras que podemos sentir la capa de aceite!

Las dimensiones extra de gran tamaño se han buscado repetidas veces en el colisionador Tevatron por los experimentos CDF y DZERO con los grandes conjuntos de datos de colisiones protón-antiprotón que han recopilado hasta el momento, con poco éxito. La señal más clara consiste en un quark o un gluón de muy alta energía, el cual retrocede en un gran ángulo respecto a los rayos de colisión, contra un hipotético gravitón. Lo que ves es un estrecho chorro de hadrones colimados producidos cuando el quark o gluón se fragmenta en partículas observables, y no hay nada en el lado opuesto al chorro: el gravitón deja nuestras tres dimensiones para entrar en el “volumen” de dimensiones extra fuera de la hoja tridimensional en la que vivimos.

La señal de un chorro de alta energía aparentemente violando la conservación del momento total es impactante, y existen muy pocos – y raros – procesos que puedan generarla. La violación del momento surge debido a que los protones colisionan a lo largo del eje del rayo – llamémoslo el eje z – y de esta forma el estado inicial tiene un momento cero en el plano xy; por otra parte, el chorro de energía porta un momento en gran parte en el plano xy, y no esta equilibrado con nada que retroceda en el sentido opuesto.

El artículo es interesante y discute una prometedora vía para encontrar por fin una nueva física más allá del Modelo Estándar. Se centra en datos recopilables por experimentos del LHC durante 2010, haciendo la hipótesis de que para el final del año que viene tendremos 200 picobarns inversos de colisiones protón-protón de 10-TeV para analizar en búsqueda de señales LED. 200 picobarns inversos son aproximadamente 20 billones de colisiones protón-protón, pero dado que estas grandes dimensiones extra se ocultan en una alta energía – correspondiente a la menor de las dimensiones adicionales del espacio – sólo serían atribuibles a estos procesos unos pocos procesos.

A pesar del hecho de que CDF y DZERO ya tienen 30 veces más datos sobre los que trabajar, el alcance de CMS sobre LEDs es significativamente mayor, debido a incremento de cinco veces en la energía. Esto se debe al hecho de que estamos considerando un efecto que se “enciende” a altas energías, y por tanto el Tevatron podría efectivamente ser simplemente incapaz de iniciarlo. Hasta el momento, CDF y DZERO sólo han excluido LEDs hasta una escala de energía de aproximadamente 1 TeV (1,4 TeV para la búsqueda más significativa, pero sólo para el caso de dos dimensiones extra).

La figura de la izquierda muestra una distribución de MHT, la variable que se estudiará por el CMS en su conjunto de datos de 2010 para buscar dimensiones extra de gran tamaño. MHT es una suma vectorial del momento del chorro en el plano transversal, y se muestra para eventos que proceden de distintas fuentes de fondo y para la señal. La suma vectorial en el plano xy debería ser pequeña – consistente con cero dentro del error experimental – si no hay partículas abandonando el detector de forma invisible (tal como es el caso del fondo etiquetado como “QCD” y mostrado en púrpura); en el caso de un gravitón escapando a otras dimensiones (el histograma azul), el MHT es, por el contrario, grande.

Por supuesto, tienen que estudiarse muchos procesos de fondo para evaluar los resultados esperados de eventos “sospechosos”. El más duro es la producción de un bosón Z retrocediendo contra un chorro de alta energía: cuando el bosón Z decae en un par de neutrinos – algo que sucede aproximadamente el 20% de las ocasiones – efectivamente, “desaparece” de la misma forma que un gravitón, dado que los neutrinos no interactúan con el detector y salen sin ser vistos, produciendo un gran valor de MHT. El análisis CMS demostró que tal fondo puede ser evaluado estudiando un proceso similar, la producción de un bosón W más un chorro. Contando con que el W decae en un par muón-neutrino, y calculando el MHT que produce si ignoramos al muón en la suma, podemos estimar Z->nu nu + el chorro de fondo de una forma que es mucho menos dependiente de las simulaciones de Monte Carlo. Esto se ilustra en la figura de abajo, donde puedes ver la distribución que se vería con 200/pb de datos, debido al irreductible fondo Z (estimado por MC, en rojo). Esto se compara con la estimación producida por el análisis de eventos W discutidos en el artículo (en azul), un método “dirigido por datos”. Las dos distribuciones encajan bien, demostrando la corrección del método.

El resultado final del análisis está en la tabla de la izquierda, mostrando el descubrimiento alcanzado para LEDs como una función de la escala de las dimensiones extra M_D, y su número δ. Puede verse por tanto que CMS puede encontrar, con una significación del nivel de observación (5 δ), dimensiones extras grandes con escalas de hasta 3 TeV y menos de 200 picobarns inversos de datos.

Otra forma de ver el alcance de CMS es dibujar la luminosidad integrada que se necesita para encontrar dimensiones extra de gran tamaño, como una función de escala de su masa, y para distintos valores del parámetro delta (el número de dimensiones extra). Esto se muestra en la figura de la derecha.

A modo de nota personal, tengo que decir que el artículo está muy cuidadosamente escrito, tanto en su forma como en el contenido. Esto, por supuesto, es debido a que fui el presidente del comité de revisión que lo llevó hasta la publicación… Bromas aparte, quiero agradecer a los autores de este importante nuevo estudio su trabajo y paciencia con la que han tratado los comentarios y correcciones que mi comité y yo estuvimos enviándole hasta el último minuto. Los autores principales del estudio son L. Benucci, M. Cardaci, A. De Roeck, U. Enrah Surat, L. Sala, y L. Vergili.

Autor: Tommaso Dorigo
Fecha Original: 11 de julio de 2009
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Esta entrada fue escrita el Miércoles, 22 de julio de 2009 a las 12:42 pm y archivada en Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.