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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.
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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.
- 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.
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