Observação de uma nova partícula com uma massa de 125 GeV



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Observação de uma nova partícula com uma massa de 125 GeV
Experiência CMS, CERN
4 de Julho de 2012


Resumo
Num seminário conjunto do CERN e da conferência “ICHEP 2012” [1], em Melbourne, os colaboradores da experiência Compact Muon Solenoid (CMS) do Large Hadron Collider (LHC) apresentaram hoje os seus resultados mais recentes e preliminares, acerca da pesquisa do bosão de Higgs do modelo padrão utilizando os dados adquiridos até Junho de 2012.
CMS observa um excesso de eventos produzidos com uma massa de aproximadamente 125 GeV [2] com uma significância estatística de cinco desvios padrão (5 sigma) [3] acima do ruído de fundo. A probabilidade de o ruído de fundo flutuar estatisticamente de modo a reproduzir (ou exceder) o nuúmero de eventos observado é de cerca de um em três milhões. A evidência experimental é mais significativa nos dois estados finais com melhor resolução em massa: primeiramente emno estados finaisl com dois fotões e em segundo lugar em estados finais com dois pares de leptões carregados (electrões ou muões). O excesso é interpretado como sendo resultante da produção de uma partícula com uma massa próxima de 125 GeV e até agora desconhecida.
A evidência experimental é mais significativa nos dois estados finais com melhor resolução em massa: primeiramente em estados finais com dois fotões e em segundo lugar em estados finais com dois pares de leptões carregados (electrões ou muões). Os dados adquiridos por CMS permitem ainda excluir a existência de um bosão de Higgs, de acordo com o que é permitido pelo modelo padrão, nos intervalos de 110 a 121.5 GeV e de 127 a 600 GeV com um intervalo de confiança de 95% [4]. As experiências realizadas no âmbito do colisionador LEP do CERN já tinham permitido excluir massas inferiores com o mesmo nível de confiança estatística.
Dentro das incertezas estatísticas e sistemáticas, os novos resultados obtidos por CMS para os diferentes canais de pesquisa explorados são consistentes com as expectativas características doe um bosão de Higgs do modelo padrão. No entanto, para obter a confirmação de que a nova partícula tem todas as propriedades previstas para do bosão de Higgs ou de modo a se estabelecer se alguma(s) das propriedades difere(m) do esperado, apontando para nova física para lá do modelo padrão, será necessário analisar tomar mais dados.
O LHC continua a produzir dados a um ritmo notável. Até ao final de 2012 CMS espera duplicar triplicar o tamanho volume actual dos dados adquiridos. Os novos dados a adquirir permitirão à colaboração CMS perscrutar melhor a natureza desta nova partícula e, em simultâneo, pesquisar nova física noutros canais de interesse.

A estratégia de pesquisa de CMS
CMS analisou dados adquiridos de colisões protão-protão realizadas durante o ano de 2011 e durante 2012 (até 18 de Junho). Os dados constituem no total 5.10 fb-1 de luminosidade integrada [5] a uma energia de centro de massa de 7 TeV em 2011 e até 5.3 fb-1 a uma energia de centro de massa de 8 TeV em 2012.
O modelo padrão prevê que, após ser produzido, o bosão de Higgs existea num curto intervalo de tempo desintegrando-se ou decaindo em partículas secundárias. A colaboração CMS estudou cinco dos canais de decaimento mais relevantes do Higgsbosão. Três dos canais contêm pares de bosões no estado final: dois fotões (γγ) ou duas das partículas responsáveis pelas interacçãoões electrofracas (ZZ ou WW). Os dois outros canais restantes contêm fermiões: dois quarks “bottom” (bb) ou dois leptões “tau” (ττ). No caso de um bosão de Higgs com uma massa próxima de 125 GeV os canais com pares de bosões - γγ, ZZ e WW – são os que oferecem maior potencial de descoberta.
Os canais γγ e ZZ oferecem a melhor resolução experimental e permitem efectuar uma medida precisa da massa da nova partícula. No canal γγ em concreto a massa é determinada a partir da energia e direcção de dois fotões medidos pelo calorímetro electromagnético de CMS, composto de cristais de PbWO4 (ECAL, Figura 1). No canal ZZ a massa é determinada a partir dos produtos de decaimento de cada bosão Z, isto é, a partir dos dois pares de electrões, muões ou de uma combinação dos anteriores, resultantes do decaimento de cada um dos Z (Figura 2). Estas partículas são medidas tanto pelo ECAL como pelo tracejador de silício ou pelos detectores de muões.




Figura 1 – Evento registado pelo detector CMS em 2012 após uma colisão de feixes de protões a uma energia de centro de massa de 8 TeV. O evento mostra as características esperadas de um decaimento de um bosão de Higgs do modelo padrão num par de fotões (linhas tracejadas a amarelo apontando na direcção de um conjunto de torres verdes). O evento é igualmente compatível com processos de fundo conhecidos no âmbito do modelo padrão.






Figura 2 – Evento registado pelo detector CMS em 2012 após uma colisão de feixes de protões a uma energia de centro de massa de 8 TeV. O evento mostra as características esperadas para um decaimento de um bosão de Higgs do modelo padrão num par de bosões Z os quais decaem subsequentemente num par de electrões (linhas verdes apontando na direcção de um conjunto de torres verdes) e num par de muões (linhas vermelhas). O evento é igualmente compatível com processos de fundo conhecidos no âmbito do modelo padrão.

O canal WW é mais difícil de interpretar experimentalmente. Cada W é identificado pelo seu decaimento num electrão e num neutrino ou num muão e num neutrino. Os neutrinos atravessam o detector de CMS sem interagirem com nenhum dos seus elementos. Desta forma, no canal WW, a presença de um bosão de Higgs manifestar-se-ia como um excesso global da distribuição de massa ao contrário da observação de um pico ressonante. O canal bb é afectado por um nível muito elevado de ruído de fundo devido à contaminação por processos do modelo padrão. A pesquisa pelo bosão de Higgs neste canal é feita em produção associada com um bosão W (ou um bosão Z), os qual decai subsequentemente em electrão (ões) ou muão (ões). No caso do canal ττ a medida é feita pela observação destas partículas decaindo em electrões, muões ou hadrões.



Sumário dos resultados obtidos por CMS
Os dados adquiridos pela experiência deveriam ter a sensibilidade suficiente para excluir a hipótese da existência de um bosão de Higgs com um intervalo de confiança de 95% no na região de massa de 110 a 600 GeV. Na prática os dados permitem excluir esta hipótese em dois grandes intervalos: 110 a 1221.5 GeV e 127 a 600 GeV com um nível de confiança de 95%.
O intervalo restante, 1221.5 a 127 GeV, não pôde pode ser excluído pois é observado um excesso em quatro três dos cinco canais analisados:


  • Canal γγ : a distribuição de massa dos pares de fotões é mostrada na Figura 3. Observa-se um excesso de 4.1 sigma acima do ruído de fundo para uma massa de cerca de 125 GeV. A observação do decaimento da nova partícula neste estado final permite inferir que se trata de um bosão e não de um fermião. Pode-se também inferir imediatamente que o spin da partícula é diferente de 1.

  • Canal ZZ: a Figura 4 mostra a distribuição de massa dos quatro leptões (dois pares de electrões, dois pares de muões ou um par de electrões e um par de muões). Tendo em conta as distribuições angulares das partículas reconstruídas no estado final, obtém-se um excesso de 3.21 sigma acima do ruído de fundo para uma massa de cerca de 125.6 GeV.

  • Canal WW: neste canal observa-se um excesso geral da distribuição de massa a um nível de 1.5x sigma acima do ruído de fundo.

  • Canal Canais bb e ττ: um excesso moderado é observado com um significância de 1.5 sigma

  • Canal ττ: nenhum excesso é observado com a estatística dos dados acumulada até ao momento.

  • nenhum excesso é observado.




Figura e legenda por actualizar

Figura 3. Espectro de massa invariante dos pares de fotões do canal (γγ) seleccionados nos dados de CMS de 2011 e 2012 (pontos negros com barras de erro). No espectro, a cada evento é atribuído um peso correspondente ao quociente de sinal/ruído esperado para a sub-categoria a que pertence. A linha vermelha sólida representa o resultado de um ajuste ao total de sinal e ruído de fundo, a linha vermelha a tracejado representa a contribuição do ruído de fundo em exclusivo. …

Figura e legenda por actualizar

Figura 4. Espectro de massa invariante reconstruída do canal ZZnos diferentes canais com quatro leptões: 4e, 4μ e 2e2μ. Os pontos representam os dados, os histogramas opacos as diferentes contribuições presentes no ruído de fundode processos conhecidos e o histograma transparente as expectativas de sinal. As medidas são apresentadas para o total dos dados adquiridos às energias de centro de massa de 7 TeV e 8 TeV. …



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