Identificando el bosón de Higgs en el LHC

En la física de partículas (como en la mayoría de las ciencias) rara vez nos preocupamos por analizar eventos únicos. Lo que observamos son distribuciones de la(s) misma(s) medida(s) hechas muchas veces. Al realizar ajustes a estas distribuciones, podemos inferir el número de eventos de 'señal' y 'fondo' en nuestra muestra.

La señal es el proceso que nos interesa. El fondo son todos los eventos que terminan en la muestra pero que no son el resultado del proceso de la señal. A menudo, la mayor fuente de fondo es combinatoria: es decir, combinaciones aleatorias de partículas que acaban pareciéndose a la señal. Otras fuentes incluyen cosas como procesos mal identificados o mal reconstruidos.

Si observamos la distribución de masa invariable de un estado final particular, la señal a menudo tendrá una forma similar a un pico. Los fondos combinatorios tienden a seguir formas suaves y amplias (como curvas exponenciales o polinómicas simples). Sin embargo, una fluctuación estadística en el fondo puede dar como resultado una forma de pico. Es importante no confundir esto con la señal. La significancia estadística es una medida de cuán improbable es, asumiendo la hipótesis nula, que una fluctuación resulte en un pico al menos tan grande como el que observa. En física de partículas, cuando crees que has encontrado algo, es importante citar el significado de la medida. El estándar para el descubrimiento es$5\sigma$, que corresponde a una probabilidad de 1 en 1,7 millones.

Es importante tener en cuenta que nunca podemos decir exactamente qué eventos particulares son señal y cuáles son de fondo. Sin embargo, puede aplicar criterios de selección para eliminar los eventos de fondo y, con suerte, conservar la mayor parte de la señal. Estos pueden variar desde cortes simples en variables hasta entrenar algún algoritmo complicado de aprendizaje automático para distinguir la señal del fondo.

Tomemos el ejemplo de buscar el bosón de Higgs que se descompone en un par de fotones ($H\to\gamma\gamma$). Comienza con una muestra de eventos registrados que contienen dos fotones reconstruidos y aplica algunos criterios de selección para filtrar los eventos de fondo que parecen menos probables que sean desintegraciones de Higgs. Si trazas la distribución de la masa invariable de los pares de fotones, terminas con algo que se parece a la siguiente figura:

Sabemos a priori que el fondo combinatorio sigue una bonita forma suave, por lo que se modela como una especie de función polinomial. La señal aparecerá como una protuberancia en la distribución, centrada en la masa del Higgs (125 GeV). Esto parece ser modelado como una función gaussiana bifurcada de Crystal Ball o algo similar.

El ajuste encuentra un pico significativo sobre el fondo en la masa del Higgs. A partir de esto, puede decir (con cierta incertidumbre cuantificable) cuántos$H\to\gamma\gamma$decae y cuantos antecedentes$\gamma\gamma$los pares están en los datos, pero no qué eventos son bosones de Higgs reales o eventos de fondo.

Creo que el "ruido" es simplemente otro "desecho" de partículas que surge al romper partículas a muy altas energías. Como explica el siguiente enlace, hay varias "rutas de descomposición" propuestas que conducirían a un Higgs con una masa cercana a los 125 GeV. Las más probables de estas desintegraciones, a saber, "quark de fondo y antiquark de fondo, o un par de bosones W, o un par de partículas tau", también son las rutas de desintegración que tienen más "ruido" y, por lo tanto, son las más difíciles de detectar. , aunque pueden ser estadísticamente más probables que, digamos, el 4-Lepton.

Todo esto puede sonar muy confuso, pero tiene más sentido si lee el artículo completo, ya que las citas a las que hice referencia son de la última sección del artículo.

http://newscenter.lbl.gov/2012/06/28/higgs-2012/

¡Espero que esto te haya ayudado!