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Cada punto del histograma cuenta colisiones reales que CMS registró en el CERN en 2011 y 2012 y que dejaron cuatro electrones o muones. Su masa conjunta dice qué los creó: un solo Z cerca de 91 GeV, pares de bosones Z por encima de 180 GeV y el bosón de Higgs cerca de 125 GeV. Mueve los cortes y mira qué pico sobrevive; luego pregunta al ajuste de abajo hasta qué punto el pico del Higgs es real.

Controles

En este dispositivo:

Ratón

  • Arrastra los tres deslizadores de cortes: masa de Z₁ (de 40 a 90 GeV), masa de Z₂ (de 12 a 60 GeV) y pT de cada leptón (de 5 a 30 GeV).
  • Haz clic en 4μ, 4e o 2e2μ para quitar ese canal o volver a ponerlo.
  • Haz clic en un botón de Prueba para fijar todos los cortes de una vez; Los cortes del análisis los devuelve al inicio.
  • Repetir vuelve a añadir las 278 colisiones en 6 segundos, en el orden en que CMS las registró. La versión fija las muestra todas desde el principio.
  • En ¿Es real el pico?, haz clic en 1. Fondo, 2. Significancia local o 3. Mirar en otro sitio para leer cada paso.
  • Haz clic en la insignia junto a Sucesos conservados para ver la fuente, la licencia y la fecha de los datos.

Teclado

  • Tab lleva a un deslizador de corte; las flechas lo mueven 1 GeV, Inicio y Fin lo llevan a sus extremos.
  • Tab lleva a un canal, un botón de Prueba o un paso de la explicación; Enter o Espacio lo pulsa.
  • Repetir y la insignia de la fuente responden también a Enter o Espacio.
  • Con un lector de pantalla, el histograma dice cuántas colisiones pasan y dónde cae el pico.
  • H o ? abre este panel. Esc lo cierra.
Otros dispositivos

Táctil

  • Desliza un corte con el dedo: masa de Z₁, masa de Z₂ o pT de cada leptón.
  • Toca 4μ, 4e o 2e2μ para quitar ese canal o volver a ponerlo.
  • Toca un botón de Prueba para fijar todos los cortes de una vez; Los cortes del análisis los devuelve al inicio.
  • Toca Repetir para ver cómo se llena otra vez el histograma, colisión a colisión.
  • Toca 1, 2 o 3 en ¿Es real el pico? para leer el ajuste del fondo, la significancia local y el paso de mirar en otro sitio.
  • Toca la insignia junto a Sucesos conservados para ver la fuente de los datos.

Glosario

Colisión (suceso)
Dos protones que chocan de frente dentro del LHC, y todo lo que el detector CMS vio salir. El módulo llama suceso a cada colisión registrada.
Por qué importa Solo una parte mínima de las colisiones crea un bosón de Higgs, así que hacen falta muchas para que aparezca un pico.
CMS Open Data, registros 5200 y 5500
El registro 5200 son las 278 colisiones con cuatro leptones de 2011 y 2012 que CMS publicó para la enseñanza, de uso libre (CC0). El registro 5500 es el ejemplo de análisis cuyos cortes las seleccionaron.
Por qué importa Cada punto del histograma es una colisión real que puedes descargar tú mismo.
Leptón
Una partícula ligera que el detector mide con mucha limpieza. Aquí es un electrón (e) o un muon (μ), un primo más pesado del electrón.
Por qué importa Cuatro leptones limpios son una de las huellas más claras que puede dejar un bosón de Higgs.
Canales: 4μ, 4e, 2e2μ
Qué leptones dejó una colisión: cuatro muones, cuatro electrones o dos de cada. Con los cortes del análisis hay 113 en 4μ, 48 en 4e y 117 en 2e2μ.
Por qué importa Electrones y muones se miden de forma distinta, así que cada canal es una comprobación aparte.
Masa de los cuatro leptones m₄ℓ
Suma las energías y los momentos de los cuatro leptones y obtienes un solo número, su masa invariante. Es la masa de lo que los creó, salgan hacia donde salgan.
Por qué importa Las colisiones que crearon la misma partícula se acumulan en la misma masa, así que una partícula se ve como un pico.
GeV
Gigaelectronvoltio, la unidad de energía y de masa en física de partículas. Un protón pesa unos 0,94 GeV; el Higgs, unos 125.
Bosón Z
Una partícula pesada que transmite la fuerza débil, con una masa de 91,2 GeV. Vive demasiado poco para verla y a menudo se desintegra en dos leptones del mismo tipo y carga opuesta.
Por qué importa Aquí un bosón de Higgs se desintegra en dos bosones Z, y cada Z en un par de leptones.
Z₁
De los dos pares de leptones de una colisión, el que tiene la masa más cercana a la del Z, 91,2 GeV. El deslizador Masa de Z₁ mayor que descarta las colisiones cuyo Z₁ es más ligero que lo que fijes.
Por qué importa Súbelo por encima de 75 GeV y el pico de 91 GeV desaparece, mientras la mayoría de las colisiones con Higgs se quedan.
Z₂
El otro par de leptones. En una desintegración del Higgs suele ser mucho más ligero que un Z real, porque un Higgs de 125 GeV le deja como mucho unos 34 GeV.
Por qué importa Por eso pedir 40 GeV a Z₂ elimina el pico del Higgs.
pT (momento transversal)
Cuánto momento lleva un leptón de través al haz, en GeV. El análisis conserva muones por encima de 5 GeV y electrones por encima de 7; el deslizador fija un mínimo para todos los leptones.
Por qué importa Los leptones con poco pT son más a menudo falsos o vienen de otros procesos.
Cortes
Reglas que una colisión tiene que cumplir para contar, como que Z₁ pese más de 40 GeV. Los cortes del análisis del registro 5500 ya conservaron estas 278; tus deslizadores solo pueden endurecerlos, nunca aflojarlos.
Por qué importa Unos buenos cortes quitan las colisiones que solo parecen un Higgs y conservan casi todas las reales.
Botones de Prueba
Cuatro combinaciones de cortes ya hechas. Quitar el pico del Z pone Z₁ por encima de 75 GeV, Pedir 40 GeV a Z₂ pone Z₂ por encima de 40, Solo leptones duros pone el pT por encima de 20 GeV, y Los cortes del análisis vuelve al inicio.
Barra (Sucesos / 3 GeV)
El eje de masa, de 70 a 181 GeV, se corta en tramos de 3 GeV, como en la figura de CMS de 2012. Cada punto es el número de colisiones conservadas cuya masa cae en ese tramo. El contorno tenue son las 278 con los cortes del análisis.
Barras de error (68%)
El intervalo de recuentos medios verdaderos que pudieron dar el recuento observado, 68 veces de cada 100. Son intervalos de Poisson exactos: 10 sucesos dan de 6,89 a 14,27.
Por qué importa Con tan pocos sucesos por barra, una barra puede saltar varios solo por azar.
Colisiones mostradas y sucesos conservados
Colisiones mostradas cuenta las colisiones que ya están en la gráfica, hasta 278. Sucesos conservados dice cuántas de ellas pasan tus cortes.
121–130 GeV, por debajo de 110, por encima de 181
Recuentos de sucesos conservados en tres tramos de masa. 121–130 GeV es la ventana del Higgs, donde los cortes del análisis conservan 12; por debajo de 110 GeV está el pico de un solo Z; por encima de 181 GeV, fuera de la gráfica, hay pares de bosones Z reales.
Pico, 110–150 GeV
Dónde cae el pico: la barra más alta entre 110 y 150 GeV y sus dos vecinas, promediadas según sus recuentos. Con los cortes del análisis sale en unos 125 GeV; ninguno quiere decir que no queda ningún suceso en ese tramo.
Bosón de Higgs, 125,3 GeV
La partícula que da su masa a los bosones W y Z, encontrada por CMS y ATLAS en 2012. La línea discontinua H marca la masa que CMS publicó entonces, 125,3 GeV.
Por qué importa Si tu pico cae sobre esa línea, los datos que estás cortando encuentran la misma partícula.
Ajuste del fondo
La curva discontinua: una forma suave y decreciente, e^(a + bm), ajustada a las masas conservadas entre 100 y 170 GeV en barras de 1 GeV. Representa todo lo que no es un Higgs. Con menos de 5 sucesos en ese tramo no hay ajuste.
Por qué importa Un pico solo significa algo frente a lo que verías sin él.
Pico (ajuste de fondo + pico)
La curva continua añade al fondo un pico de 2 GeV de ancho, más o menos la resolución del detector, cuyo tamaño y masa elige el ajuste. Masa del pico es dónde cae; Pico ajustado es cuántos sucesos contiene.
Fondo, 121–130 GeV
Cuántos sucesos espera la curva del fondo sola en la ventana del Higgs. Con los cortes del análisis son unos 5,6, donde se vieron 12.
Por qué importa La diferencia entre lo esperado y lo visto es lo que mide la significancia.
Significancia local Z
Cuánto mejor explica los datos el pico que el fondo solo, en desviaciones estándar (σ), a partir del cociente de las verosimilitudes de los dos ajustes (fórmula de Wilks). Con los cortes del análisis vale 2,8σ en 125 GeV, entre los unos 2σ del registro 5500 y los 3,2σ de CMS en 2012 en este canal.
Por qué importa Dice con qué frecuencia el fondo solo fingiría un pico así de grande en esa masa concreta.
σ (desviaciones estándar)
Una escala de lo improbable que es un resultado por azar. 1σ pasa más o menos 1 vez de cada 6, 3σ 1 de cada 740, y 5σ 1 de cada 3,5 millones.
Por qué importa Los físicos solo hablan de descubrimiento a partir de 5σ.
Significancia global y el efecto de mirar en otro sitio
El ajuste probó todas las masas entre 110 y 150 GeV, y una casualidad podía aparecer en cualquiera. La cifra global paga esa búsqueda contando cuántas veces el barrido supera 1σ (Gross y Vitells): con los cortes del análisis, 2,8σ local se queda en 1,5σ global.
Por qué importa Cuantos más sitios miras, más fácil es encontrar un pico por azar.
Combinaciones de cortes probadas
Cada combinación nueva de los tres deslizadores y los canales que pruebas cuenta una vez. La explicación da la mejor significancia local entre ellas con las 278 colisiones, frente a la de los cortes del análisis.
Por qué importa Ajustar los cortes hasta que crezca el pico también es mirar en otro sitio, y por eso un análisis fija sus cortes antes de mirar.

Toda la ayuda y las preguntas

05101520258090100110120130140150160170180Masa de los cuatro leptones m₄ℓ (GeV)Sucesos / 3 GeVZH
  • Colisiones que tus cortes conservan, con barras de error al 68%
  • Las 278 con los cortes del análisis
  • Ajuste del fondo
  • Ajuste de fondo + pico
  • Masa del Higgs según CMS en 2012: 125,3 GeV

Colisiones mostradas0 de 278

Cortes

Z₁ es el par de leptones más cercano a la masa del Z, 91,2 GeV.

Z₂ es el otro par.

pT es el momento transversal al haz. El análisis conserva muones por encima de 5 GeV y electrones por encima de 7.

Sucesos conservados
0 de 0
121–130 GeV
0
Por debajo de 110 GeV
0
Pico, 110–150 GeV
ninguno
Por encima de 181 GeV
0

¿Es real el pico?

Significancia local
muy pocos
Masa del pico
muy pocos
Pico ajustado
muy pocos
Fondo, 121–130 GeV
muy pocos
Global, 110–150 GeV
muy pocos

Quedan menos de 5 sucesos entre 100 y 170 GeV: muy pocos para ajustar.

El registro no trae fondo simulado, así que la curva discontinua es una curva suave, e^(a + bm), ajustada a las masas conservadas entre 100 y 170 GeV. El ajuste es por barras: 70 barras de 1 GeV, cada una un recuento de Poisson. Se hace dos veces: solo con la curva, y con un pico de 2 GeV de ancho encima cuyo tamaño y masa quedan libres (la curva continua). Mueve un corte y los dos ajustes se repiten.

Qué estás viendo

Cada punto cuenta colisiones reales que CMS registró en 2011 y 2012 y que dejaron cuatro electrones o muones. Suma las energías y los momentos de los cuatro leptones y obtienes su masa invariante: la masa de lo que los creó. Un bosón de Higgs se desintegra en dos bosones Z y cada Z en un par de leptones, así que las colisiones con Higgs se acumulan en una sola masa.

Cómo leer los picos

El pico en 91 GeV es un solo Z cuyos leptones emitieron un segundo par: sube Z₁ por encima de 75 GeV y desaparece, mientras la mayoría de los sucesos del Higgs se quedan. Por encima de 180 GeV hay pares de bosones Z reales. Un Higgs de 125 GeV deja como mucho unos 34 GeV para el segundo Z, así que pedir 40 GeV a Z₂ lo elimina. La selección de CMS ya conservó estos 278 sucesos; tus cortes solo la endurecen.

Datos y cortes

Sucesos: colaboración CMS, portal CERN Open Data, registro 5200, DOI 10.7483/OPENDATA.CMS.YGG7.333M, publicado bajo CC0. Cortes: registro 5500, el ejemplo de análisis del Higgs a cuatro leptones. CMS eligió este subconjunto para la enseñanza: no sirve para un análisis de física completo y no incluye fondo simulado, así que aquí el fondo se ajusta a los datos. Mirar en otro sitio: E. Gross y O. Vitells, Eur. Phys. J. C 70 (2010) 525.