## Archive for March, 2013

### The Standard Model passes with flying colors

Thursday, March 7th, 2013

After hearing about huge quantity and variety of new results all week at the Moriond conference, we were finally treated this morning to the bigger picture. Roman Kogler, an experimentalist speaking on behalf of the Gfitter group (a small group of experimentalists and theorists) showed how the Standard Model gives a coherent picture of particle physics as we know it today.

The equations of the Standard Model contain several closely correlated parameters. The Gfitter team collected the best theoretical calculations performed by theorists to-date and injected in the equations the various parameters determined experimentally. These are quantities such as the masses of various particles (top quark, W and Z bosons masses) and several couplings (parameters related to how often a particle will decay into lighter ones).

This technique is called an “electroweak fit” as it refers to making a global fit to all the parameters of the electroweak theory. Such fits were used to predict the mass of the top quark before it was even discovered at Fermilab in 1995 as shown on the plot below.

The predictions made on the mass of the top quark using a simultaneous fit to all the parameters of the electroweak theory. The blue band represents the predictions obtained form this fit whereas the black points show the experimental value measured by the Tevatron experiments from Fermilab.

The agreement between the prediction and the actual measurement, as seen on the above plot for the mass of the top quark, is remarkable. As the measurements of several parameters used in the fit became more precise over the years, so did the predicted value coming out of the fit to eventually agree very nicely.

One new and essential parameter of the electroweak theory is the mass of the Higgs boson. For many years, one important outcome of these global fitting procedures was a prediction of what this mass could be, guiding experimentalists in their search.

We can now play two different tricks: use all other measured parameters and predict the mass of the Higgs boson. Or we can assume the new boson discovered last summer is the Higgs boson, and use its mass to check the model for self-consistency. We want to see if everything fits nicely together or if the model starts to burst at the seams.

Both answers are shown on the following plot. The point where the wide-open grey curve touches the horizontal axis provides the most probable Higgs boson mass value given all the other constraints imposed on the Standard Model by all the measurements injected into the equations. The width of this curve gives the uncertainty on the mass prediction. The answer is 94 plus 25 or minus 22 GeV, in agreement (within 1.3 times the uncertainty on the measurement or 1.3 sigma) with the mass of the new boson which is now roughly 125.7 ± 0.6 GeV. Adding 1.3 times the uncertainty of the fit (25 GeV) to the value found (95 GeV) bridges the gap between the predicted and measured values.  So the fit makes a prediction consistent with for the mass of the new boson.

The second curve, the narrow blue curve, shows the prediction of the fit if you inject the experimental value of the new boson mass into the fit. If the theory has internal consistency, the returned value from the fit should agree with the injected value for the Higgs boson mass. And it does, with a much reduced uncertainty margin, falling pretty much on top of the injected value.

This means that the electroweak part of the Standard Model has great self-consistency. As it stands, there is only a 7% chance it could be in worse agreement. The difference comes mostly from two parameters used in the fit, namely the mass of the W boson and the so-called left-right asymmetry parameter measured in Z boson decays to b quarks.

By further reducing the uncertainties on the input parameters used for the fit, we will eventually see if the Standard Model gets in trouble. But as it stands, all is good although it has less and less leeway. This means such fits may eventually reveal flaws in the model.

Pauline Gagnon

### Le Modèle Standard passe le test haut la main

Thursday, March 7th, 2013

Après avoir entendu une multitude de résultats cette semaine aux Rencontres de Moriond, nous avons eu droit ce matin à une vision d’ensemble de la situation. Roman Kogler, représentant le groupe Gfitter, un regroupement de théoriciens et d’expérimentalistes, a montré comment le Modèle Standard donne une image cohérente de la physique des particules telle qu’on la comprend aujourd’hui.

Les équations du Modèle Standard contiennent plusieurs paramètres qui sont fortement corrélés. L’équipe de Gfitter a donc compilé les évaluations théoriques les plus précises qui existent et injecté dans ces équations les divers paramètres mesurés expérimentalement. Il s’agit de quantités comme la masse de diverses particules (quark top, bosons W et Z) ainsi que plusieurs « couplages » (des paramètres reliés à la fréquence de désintégration de certaines particules en d’autres plus légères).

Cette méthode porte le nom d’ « ajustement électrofaible » puisqu’elle consiste à faire un ajustement global de tous les paramètres de la théorie électrofaible. Cette technique avait permis de prédire la masse du quark top avant même sa découverte à Fermilab en 1995 comme le montre le graphe ci-dessous.

Les prédictions de la valeur de la masse du quark top venant d’un ajustement à l’ensemble des paramètres de la théorie électrofaible. La bande en bleu représente les prédictions de l’ajustement tandis que les points en noir donnent les valeurs mesurées par les expériences du Tevatron de Fermilab.

Au fur et à mesure que la précision des paramètres injectés s’améliorait au fil des années, la valeur prédite devenait elle aussi de plus en plus précise pour éventuellement pratiquement coïncider avec la mesure expérimentale.

Durant les dernières années, la quantité la plus souvent prédite par cet ajustement électrofaible était la masse du boson de Higgs, orientant ainsi les recherches. Mais aujourd’hui, on dispose de cette valeur, si on suppose bien sûr que le nouveau boson est bel et bien un boson de Higgs.

On peut donc faire deux choses : continuer à prédire la masse du boson de Higgs en n’utilisant que les autres paramètres, ou encore utiliser la masse du nouveau boson comme paramètre dans l’ajustement. On peut voir alors si tous ces paramètres sont consistants entre eux et donc, si le modèle théorique tient la route.

Le graphe ci-dessous donne les résultats obtenus dans les deux cas. Le point où les courbes touchent l’axe horizontal détermine la valeur la plus probable prédite par l’ajustement pour la masse du boson de Higgs. L’évasement de la courbe donne l’incertitude sur la prédiction.

La courbe en gris est obtenue en n’utilisant que les contraintes imposées par tous les autres paramètres sans injecter la masse du boson de Higgs dans l’ajustement. La réponse est alors 94 GeV avec une marge d’erreur de plus 25 et moins 22 GeV. Cette valeur est en accord avec la valeur de la masse du nouveau boson (environ 125.7 ± 0.6 GeV) à 1.3 sigma, i.e. la distance entre la valeur mesurée et la valeur estimée est 1.3 fois l’incertitude donnée par l’ajustement. On arrive donc à prédire la masse du boson de Higgs.

L’écart entre les deux valeurs vient surtout de deux paramètres : la masse du boson W et un paramètre appelé « l ‘asymétrie gauche-droite » mesurée lorsqu’un boson Z se désintègre en quark b.

La deuxième courbe en bleu montre la valeur prédite pour la masse du boson de Higgs si on injecte cette valeur dans l’ajustement. Il s’agit ici de tester si cette masse causera des tiraillements internes avec tous les autres paramètres du modèle. Puisque la masse prédite tombe pile sur la valeur mesurée, on en déduit que tout se tient.  Cette prédiction s’accompagne d’une toute petite marge d’erreur déterminée par l’étroitesse de la courbe.

Donc tout baigne dans l’huile pour le Modèle Standard. En fait, il y aurait seulement 7% de chances d’obtenir une valeur moins favorable.

En réduisant davantage l’incertitude sur les paramètres utilisés dans l’ajustement, on réduira encore plus la marge de manœuvre et il sera éventuellement possible de voir si le Modèle Standard commence à montrer des signes de tensions internes. Peut-être qu’un jour un tel ajustement réussira à révéler les faiblesses du modèle.

Pauline Gagnon

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### Dernières nouvelles sur le boson de Higgs

Wednesday, March 6th, 2013

Après six heures de présentations dédiées à la quête du boson de Higgs, voici un résumé des nouveaux résultats présentés aujourd’hui à la conférence de Moriond. Les expériences CMS et ATLAS ont montré leurs plus récentes mises à jour, révélant que peu importe l’angle utilisé, le nouveau boson découvert l’été dernier au CERN continue à être parfaitement compatible avec un boson de Higgs. D’autres résultats seront dévoilés la semaine prochaine dès que toutes les vérifications auront été complétées.

Les chercheur-e-s étudient maintenant non seulement comment le nouveau boson se désintègre mais aussi les différentes façons de le produire. Tout cela permettra de déterminer éventuellement si la nouvelle particule est bien un boson de Higgs, et si oui, est-ce celui prescrit par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ou une autre version associée à la supersymétrie, ou même pas un boson de Higgs du tout. Pour répondre à cette question, les deux équipes tentent d’établir ses propriétés telles que la force du signal observé dans les différents canaux de désintégration, les modes de production, sa masse ainsi que son spin et sa parité.

Seuls deux canaux de désintégration permettent une évaluation précise de sa masse, soit les désintégration en deux photons ou quatre leptons, tandis que pour tous les canaux, on peut déterminer la force du signal – combien d’évènements sont produits par rapport aux prédictions théoriques – et son spin et parité.

Un signal clair et sans ambiguités obtenu par la collaboration CMS dans la recherche de bosons de Higgs se désintégrant en deux bosons Z, chacun donnant deux leptons. C’est le canal dit des quatres leptons. Les points en noir représentent les données tandis que la courbe en rouge indique où on le modèle théorique prédit trouver un signal venant d’un boson de Higgs.

On avait déjà vérifié que ce boson se désintégrait en d’autres bosons (paires de bosons W, Z ou photons) et mais pas en fermions (les particules de matière comme les quarks et les leptons). La collaboration CMS a établit ce fait ce matin en montrant qu’en analysant toutes les données en main, ils observent maintenant des désintégrations de bosons en deux taus, ce qui est tout nouveau. Il reste donc à démontrer que ce boson peut aussi se désintégrer en deux quarks b, ce qui pourrait demander plus de données car le bruit de fond est très fort. Mais de l’autre côté de l’Atlantique, les expériences du Tevatron ont annoncé aujourd’hui avoir déceler un signal pour ce canal  trois fois plus fort que les variations statistiques.

Autre nouveauté : ATLAS a montré que tout au plus 68% du temps ce boson pourrait se désintégrer en particules invisibles, comme par exemple des particules de matière noire. Cette possibilité est interdite dans le Modèle Standard, donc pas d’anomalie de ce côté.

Les dernières mesures de la force du signal et de la masse sont compilées dans le tableau ci-dessous, avec en caractères gras les plus récentes valeurs, ainsi que les autres mesures dévoilées en décembre.

CMS observe un nombre d’évènements légèrement inférieur aux valeurs prédites par la théorie dans le canal des quatre leptons et deux bosons W alors qu’ATLAS voie un léger excédent dans le canal à quatre leptons et celui à deux photons. Il est encore quasi impossible d’en tirer des conclusions tant les marges d’incertitude sont fortes mais tous les canaux sont encore compatibles avec les prédictions du Modèle Standard, la plus grande déviation pour ATLAS n’étant que de 2.3sigma.

La force du signal pour différents canaux de désintégration mesurée par CMS (gauche) et ATLAS (droite). Toutes les valeurs mesurées sont compatibles avec une valeur de 1.0, tel que prédit par le Modèle Standard.

Il faudra tout particulièrement surveiller ce que CMS mesurera dans le canal à deux photons lors de leur prochaine mise à jour. Si une déviation se confirme, cela ne manquera pas d’attirer l’attention de bien des théoricien-nes car les conséquences pourraient être énorme. Une déviation par rapport aux prédictions théoriques pourrait indiquer une faille dans le modèle et montrer la voie vers la vraie solution.

C’est un fait bien connu que le Modèle Standard a ses limites car il ne peut expliquer entre autres choses la nature de la matière noire. Il faut donc trouver quelle est la théorie plus globale décrivant mieux le monde des particules fondamentales. Dure tâche que de remplacer un modèle qui réussit à faire des prédictions étonnantes, justes souvent jusqu’à la dixième décimale.

De nouvelles mesures de masse ont aussi été présentées aujourd’hui. Et bonnes nouvelles, la situation s’améliore. En décembre, avec seulement le tiers des données de 2012 analysées (21fb-1), ATLAS obtenait deux valeurs différentes pour la masse selon le canal de désintégration utilisé. Malgré toutes les vérifications effectuées, aucune erreur expérimentale significative n’avait été trouvée. Cette différence est donc imputée à une variation statistique. L’écart a maintenant rétréci, bien que les marges d’erreurs aussi. Malgré tout, l’hypothèse d’une fluctuation demeure la plus plausible.

Finalement, de nouvelles mesures de spin ont été montrées aujourd’hui, dont le canal à quatre leptons pour CMS. Toutes les mesures sont plus compatibles avec une valeur de spin et parité de 0+ tel que postulé pour un boson de Higgs. Ceci contribue à renforcir l’hypothèse que le nouveau boson est bien un type de boson de Higgs.

Les vérifications faites par CMS pour voir si la valeur de spin et parité du nouveau boson est plus compatible avec une valeur de 0+ (courbes en jaune) tel que prescrit par le Modèle Standard ou avec d’autres hypothèses (courbes en bleu). La flèche en rouge indique la valeur obtenue pour le nouveau boson. La compatibilité se mesure par la quantité de la courbe se trouvant à droite de la flèche. Dans tous les cas, il y a plus de courbe jaune restant que de bleu, indiquant que le nouveau boosn est plus compatible avec une valeur de 0+ que toute autre valeur de spin-parité.

En attendant d’autres résultats la semaine prochaine, vous pouvez vous amuser en regardant  cette animation (ou une autre) montrant comment le nouveau boson est apparu dans les données d’ATLAS au cours de la dernière année. Entre temps, au fur et à mesure qu’un peu plus d’information devient disponible, l’identité du nouveau boson se révèle peu à peu.

Pauline Gagnon

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### Latest news on the Higgs boson

Wednesday, March 6th, 2013

After six hours of presentations dedicated to the search for the Higgs boson at the Moriond conference, here is a summary of the many new results shown today. Both the CMS and ATLAS experiments presented their latest updates, and no matter the angle studied, the new boson is still perfectly compatible with being a Higgs boson. More will be presented next week, once further checks are completed.

The experiments are now trying to establish not only how the new boson decays but also how it is produced. This will eventually help determine if the new boson is really a Higgs boson, either the one prescribed by the Brout-Englert-Higgs mechanism or one associated with supersymmetry, or even not a Higgs boson at all. To answer this question, both teams measured several of the new boson properties, quantities like the signal strength in various production modes, the different decay channels as well as its mass, spin and parity.

Only two decay channels, namely when the boson decays into two photons or four leptons, are used to measure its mass but for all channels, one can measure the signal strength (how many events are found compared to what the Standard Model predicts) and the spin.

An unambiguous signal obtained by the CMS collaboration in the search for a Higgs boson decaying into two Z bosons, each one decaying in turns into two leptons. This is the so-called four-lepton channel. We can see the data (black dots) matching the simulation of a Higgs boson shown by the red line.

The experiments had already checked that the new boson can decay into a pair of other bosons, namely W, Z ou photons, but it had not been established for fermions, the particles of matter like quarks and leptons. This is now a done thing since CMS observes decays into two tau leptons after analyzing the whole data sample. This remains to be proven for b quarks, which might have to wait until more data become available given the high background in this channel. Across the Atlantic though, the Tevatron experiment reported today seeing it at the 3 sigma level, i.e. three times stronger than possible statistical fluctuations.

Other novelty: ATLAS presented the first limit on possible decays of the new boson into invisible particles such as dark matter. This is not expected to happen in the framework of the Standard Model and indeed, with a limit placed at 68% of the time, it is compatible with the model.

The latest signal strength and mass measurements are shown in bold types in the table below along with the older results from last December.

CMS observes a number of events slightly inferior to the expected value in the four-lepton and WW channels while ATLAS reported small excesses for the number of events observed when the new boson decayed either in two photons or four leptons. This is still statistically too weak to draw any conclusion except to notice that all values are still compatible with the Standard Model predictions, all deviations being at most 2.3sigma for ATLAS.

The signal strength for different decay channels as seen by CMS (left plot) and ATLAS (right plot). A value of 1.0 is expected if everything behaves as prescribed by the Standard Model for a Higgs boson.

It will be particularly interesting to see what CMS obtains in the two-photon channel in their next update. If any deviation gets confirmed, it will draw a lot of attention from theorists due the possible huge consequences. A significant deviation with respect to the theoretical predictions would reveal a flaw in the model and help zoom on the right solution.

It is a well-known fact that the current theory, the Standard Model, has its limits. Everyone agrees that there should be a more encompassing theory to describe phenomena like the existence of dark matter, something the Standard Model fails to explain. But what is this new theory is the big question. All attempts so far have failed to find a crack in the Standard Model. Hard to improve on an impressive  theory that can make predictions accurate up to the tenth decimal.

New mass measurements were also presented today.  No anomalies here either. Last December, with only a third out of the 2012 data sample (21fb-1) analysed, ATLAS had obtained two different mass values for the new boson when measuring it using two different decay channels. Although an impressive series of crosschecks were performed, no experimental mistake was uncovered. The difference was ascribed to a statistical fluctuation. Today, after analyzing the whole data set, the difference is getting smaller, but so are the uncertainty margins. Nevertheless, this is probably a non-issue.

Finally, a few new spin and parity measurements were shown today, such that both experiments observe that the new boson is more compatible with a spin-parity of 0+ as expected for a Higgs boson than with any other spin-parity hypotheses. This is reinforcing the hypothesis that we are indeed dealing with a type of Higgs boson.

CMS checks to see if the new particle is more likely to have a spin-parity of 0+ (in yellow) as expected for a Higgs boson than other hypotheses (all shown in blue). The red arrow shows the value obtained for the new boson. The compatibility with each hypothesis is measured by the amount of the curve lying to the right of the arrow. There is always more yellow remaining than blue, meaning in all cases, the new boson is more likely to have spin 0+ than any other values.

While we are waiting for new results, some of which will be announced next week, you can entertain yourself by watching an animation (or another)recreating how the new boson signal appeared in ATLAS data over time. Meanwhile, as the information is trickling in, the identity of the new boson is slowly being revealed.

Pauline Gagnon

### La matière noire conserve tout son mystère

Tuesday, March 5th, 2013

Lundi matin, aux Rencontres de Moriond , la présentation la plus attendue dans la session sur la matière noire ne contenait malheureusement aucun résultat. On espérait que la collaboration AMS révèle ses premières mesures mais Bruna Bertucci n’a pu que présenter ses excuses puisque ces résultats n’avaient pu être approuvés à temps pour la conférence.

AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale, d’où il accumule des données depuis mai 2011. La communauté scientifique attend maintenant avec impatience ses résultats qui pourraient jeter un peu de lumière sur la nature de 24% du contenu de l’univers dont on ignore tout, et révéler quelles sont les mystérieuses particules qui forment la matière noire.

AMS étudie le flux de positons dans l’espace comparé à celui des électrons. Les positons sont l’antimatière des électrons. Tout cet intérêt provient du fait qu’un autre groupe, la collaboration PAMELA a observé un flux de positons plus élevé que prévu par rapport au flux d’électrons à haute énergie. Comme nous vivons dans un monde composé de matière, il est relativement aisé d’imaginer diverses sources d’électrons. Mais d’où vient cette antimatière ? Une possible hypothèse serait que des particules de matière noire s’annihilent dans l’espace en créant des paires d’électrons et de positons, fournissant ainsi une source de positons.

Le flux de positon par rapport à celui des électrons tel que mesuré par différents groupes. L’expérience AMS devrait pouvoir clarifier la situation à haute énergie, là où le flux semble augmenter.

Un autre groupe, qui opère une expérience semblable à bord d’un satellite, la collaboration FERMI-LAT, a confirmé en partie cette observation mais seul AMS à la capacité de vraiment apporter une réponse définitive. Il faudra cependant encore un peu de patience avant de voir leurs résultats.

Entre temps, comme l’a expliqué Gabrijela Zaharijas, la collaboration FERMI a une autre tâche sur les bras depuis qu’un théoricien, Christoph Weniger, analysant des données recueillies par FERMI, a détecté un signal sous forme de d’une raie spectrale étroite à 130 GeV – des rayons gamma ayant une énergie bien spécifique – et émanant du centre de la galaxie. Son approche consistait à identifier les zones où la matière noire était la plus concentrée et où il y avait le moins de bruit de fond, i.e. peu d’autres sources connues de rayons gamma. Il a identifié cinq zones répondant à ces critères et pour trois d’entre elles, trouvé plus d’évènements que ce qu’il attendait du bruit de fond. Et ce signal était très fort, dépassant par quatre fois les fluctuations statistiques possibles du bruit de fond (4.4 sigma) et créant grand bruit.

La ligne spectrale trouvée par Christoph Weniger à 130 GeV sous la forme d’un excès d’évènements par rapport au bruit de fond représenté par la courbe en vert.

Depuis, la collaboration FERMI a amélioré sa calibration et la modélisation de la dispersion du bruit de fond, ce qui aurait dû renforcir le signal. Mais il n’en fut rien : au contraire, le signal a plutôt diminué, ce qui les fait douter qu’il s’agisse d’un véritable effet. En fait, cette hypothèse est soutenue par l’analyse des rayons gammas provenant d’une source bien connue de bruit de fond – les rayons gamma produits dans la couche atmosphérique de la Terre sous l’impact de rayons cosmiques. Un signal similaire mais moins fort est apparu à 130 GeV, confirmant la piste d’un effet venant des instruments de mesure sans toutefois tout expliquer. Le tout est donc sérieusement à l’étude.

On devrait en avoir le cœur net d’ici peu sur ce signal puisque le nouveau télescope HESS-2 de Namibie commencera à observer le centre galactique dès ce mois-ci. Avec seulement 50 heures en opération dans de bonnes conditions, le groupe aura suffisamment de données pour confirmer ou réfuter ce signal à 130 GeV.

Aurons-nous bientôt quelques réponses sur la nature de la matière noire ? Cela vaut bien la peine de patienter un peu pour connaître la suite.

Pauline Gagnon

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### Dark matter retains all its mystery

Tuesday, March 5th, 2013

Monday morning, at the Moriond conference, the most expected talk in the dark matter session contained unfortunately no results. Although the AMS collaboration was supposed to reveal their very first measurements, Bruna Bertucci could only present apologies to an eager audience since the approval process had not been completed in time for the conference,

The AMS or Alpha Magnetic Spectrometer is a particle detector that was installed on the International Space Station in May 2011 and has been collecting data ever since. The scientific community is now eagerly waiting to hear about their results, in the hope of getting some clues as to what makes up 24% of all content of the Universe, namely what are the mysterious particles that form dark matter.

AMS is due to release data that will compare the flux of positrons in outer space with the flux of electrons. Positrons are the antimatter counterpart of electrons. The interest all stems from the fact that a few years ago, the PAMELA collaboration observed a larger positron flux at high energy than expected. It is relatively easy to think of various sources of electrons since we live in a world made of matter. But what could be a source for antimatter? One possible  explanation is to suppose that dark matter particles are annihilating into pairs of electrons and positrons, and hence providing a source of positrons.

Another group operating a satellite-born experiment, the FERMI-LAT collaboration partially confirmed that observation but only AMS has all the capabilities to really cross-check the PAMELA results. We will have to be a bit more patient until the AMS collaboration publishes with its first results.

The increase in the positron flux with respect to the electron flux as seen by various experiments. The AMS data should bring a definitive confirmation of the excess observed at high energy.

Meanwhile, the FERMI group has work on its hands as explained by Gabrijela Zaharijas since a theorist, Christoph Weniger, analysing data collected by FERMI, detected a signal in the form of a sharp spectral line at 130 GeV – gamma rays of a specific energy – coming from a region in the galactic center.  His approach was to look in areas of the galaxy where he expected to find the most dark matter and fewest sources of gamma rays of known origin. He studied five such locations in the center of our galaxy where dark matter is known to be more concentrated. For three of these locations, he found events in excess of the known sources of gamma rays, i.e more signal than background. The signal was also very strong, four times stronger than possible statistical fluctuations of the background level, that is 4.4 sigma.

The excess of events found by Christoph Weniger in FERMI data seen above the background described by a power law spectrum.

The FERMI collaboration has since improved the data calibration and modeling of energy dispersion, which should have led to an increase in the signal strength. On the contrary, they found the signal got fainter, making them doubt is was a real effect. In fact, while checking a region containing only background (the Earth atmosphere where lots of gamma rays are produced by incoming cosmic rays), they detected a similar “signal”, although fainter at 2.3 sigma. This is not quite enough to explain the anomaly detected in the galactic center but seems to indicate some instrumental error. Further investigations are underway.

We should soon get to the bottom of this story since a new telescope, HESS-2 in Namibia will start observing the galactic center region this month. In less than 50 hours in good operating conditions, they should be able to accumulate enough data to confirm or contradict the presence of this 130 GeV signal.

Will we soon have some hints on the mysterious nature of dark matter? It is well worth a bit more patience in the hope to learn more soon.

Pauline Gagnon

### Intersection of Art and Science (V2.0)

Tuesday, March 5th, 2013

–by T.I. Meyer, TRIUMF’s Head of Strategic Planning & Communication

“So, did the 8 pieces of artwork actually generate any new insights for the physicists about neutrino oscillations,” asked the gentleman in the fifth row of the auditorium. I was on stage with my colleague Professor Ingrid Koenig from Emily Carr University of Art & Design. We were leading a 75 minute session at the Innovations: Intersection of Science & Art conference, curated by Liz Lerman and organized by Wesleyan University in central Connecticut.

The gentleman, chair of Wesleyan’s department of environmental science, repeated his question, “So you said this project was about seeing if you could have art influence physics rather than just the other way around. Well, did it work?”

Damn good question. I looked at Ingrid for a moment and then responded: “Nope.” But then I continued. No, we did not achieve success in using physics-inspired artwork to change the course of particle physics. But yes, in addition to learning that we posed the wrong hypothesis, we did achieve three other outcomes: (1) We constructed and executed one of the first research experiment at the intersection of art and science; (2) We documented a carefully controlled interaction of artists and particle physicists; and (3) We launched an inquiry that now has a national laboratory (TRIUMF) musing about how to exercise its influence in local and national culture for the advancement of society.

What was all this about? We were invited to lead a session at this conference because of the “RAW DATA” project for which TRIUMF and Emily Carr collaborated. For the full story on our “experimental research project,” please see this handsome website. One thing we discussed in the Q&A period (of course!) was the next step in the research. Perhaps rather than focusing on an experiment where the “work” of scientists was transferred to artists (whose “work” in turn was transferred to other artists and then back to scientists), we should construct an experiment where a “practice” or “process” of science (and art) was transferred. For instance, one thing scientists and artists both deal with is uncertainty and ambiguity. It was suggested that there might be something valuable uncovered if we had scientists and artists sharing their approaches to dealing with and communicating uncertainty.

The purpose of the conference was to pull together scientists, artists, and teachers from across North America to compare emerging trends and look for common opportunities for teaching at the intersection of art and science as well as for performing research at the intersection of art and science. In many regards, universities are starting to respond to the teaching opportunity but are less organized in exploiting the research opportunity. For instance, a key thread at the conference was the distinction between “art working for science” and “science working for art” when the real question might be, “What can science and art do together?” Lofty goals, of course, especially when sometimes the first step of bringing the fields together might actually be some “service” for the other side.

Better yet, I was not the only particle physicist there! Sarah M. Demers, an ATLAS physicist from Yale of some fame, participated as well, based on her experience co-teaching a “Physics of Dance” course with famed choreographer Emily Coates. The duo gave a fascinating presentation that started out with an inquiry “How do I move?” or rather “Why can I move?” Starting from the observation that atoms are mostly empty space and gravity ultimately attracts everything, they discussed why we can stand up at all (electrostatic repulsion between the electrons orbiting the atoms of the floor and those orbiting the atoms in my shoe on my foot in my sock). Then the question became, “How can I actually move my body at all if everything is repulsive and forces are balanced?” The answer came next, articulated by the dancer/choreographer who talked about how we use friction to generate a net force on our center of mass and can then use electrical impulses to stimulate chemical reactions in our muscles to push against ourselves and the floor. And then the talk moved to how to present and experience the Higgs field and the Higgs boson…in the form of a dance. WOW.

Throughout the 36 hours of this intensive, multi-dimensional conference (yes, we did “dance movement” exercises between sessions to help reflect and internalize the key points of discussions), I took copious notes and expanded my brain ten-fold.

A few other comments from my notebook.

There are really only two things that humans do: experience or share. We are either experiencing reality or we are sharing some aspect of it via communication (and yes, one can argue that communication does occur within reality!). Doing something is an experience, making a discovery is an experience, listening to music is an experience. And teaching, publishing a scientific paper, or making art for someone else are more in the sharing category. So, there are aspects of science and art that are both in “experience” and the “share” category.

Furthermore, science and art do not actually exist as stand-alone constructs. They only exist in our minds as modalities for thinking. They are tools, or perhaps practices, that assist human beings in “dealing with” or “responding to” the world. From this perspective, they are just some of the several modalities for organizing our thinking about the world, just like mathematics or engineering are also modalities.

During some of the breakout discussions, we sometimes got excited and use the terms art, creativity, and self-expression interchangeably. Unpacking these terms, I think, sheds considerable light on the path forward. Self-expression is just that…the process of expressing one’s self. Creativity is about being generative and often includes powerful threads of synthesis and analysis. Art, however, transcends and includes both of these. Art is meant to be “seen” by others, if I can simplify to just one verb. An artist, when creating a piece of art, is considering some audience, some community, or maybe just one person and taking into account how they might react to or interact with the artwork. It’s like the distinction between having an insight (smoking is why I have poor health) and a breakthrough (I have stopped smoking and haven’t had a cigarette for 6 months). In a strange way, this is parallel to what we do in science. An experiment or theory is just a nice idea, but until I write it up and send it out and have it approved for publication, it is just in my head and doesn’t actually advance science. Granted, scientific publications are perhaps more targeted at scientific peers while art’s discussion and acceptance might be determined by some other audiences beyond just artistic peers. But in a way, art is meant to be out there and wrestled with by people. And so is science.

So, what random musings do YOU have about science & art? Are they different?  Are they the same expression of a similar human yearning or inquiry?  Can they be combined?

### Back From Hibernation, and a Puzzling Asymmetry

Monday, March 4th, 2013

I know in my life at least, there are periods when all I want to do is talk to the public about physics, and then periods where all I would like to do is focus on my work and not talk to anyone. Unfortunately, the last 4 or so months falls into the latter category. Thank goodness, however, I am now able to take some time and write about some interesting physics which had been presented both this year and last. And while polar bears don’t really hibernate, I share the sentiments of this one.

Okay, I swear I'm up this time! Photo by Andy Rouse, 2011.

A little while ago, I posted on Dalitz Plots, with the intention of listing a result. Well, now is the time.

At the 7th International Workshop on the CKM Unitarity Triangle, LHCb presented preliminary results

Asymmetry of $$B^{\pm}\to\pi^{\pm}\pi^+\pi^-$$ as a function of position in the Dalitz Plot. Asymmetry is mapped to the z-axis. From LHCb-CONF-2012-028

for CP asymmetry in the channels $$B\to hhh$$, where $$h$$ is either a $$K$$ or $$\pi$$. Specifically, the presentation was to report on searches for direct CP violation in the decays $$B^{\pm}\to \pi^{\pm} \pi^{+} \pi^{-}$$ and $$B^{\pm}\to\pi^{\pm}K^{+}K^{-}$$.  If CP was conserved in this decay, we would expect decays from $$B^+$$ and $$B^-$$ to occur in equal amounts. If, however, CP is violated, then we expect a difference in the number of times the final state comes from a $$B^+$$ versus a $$B^-$$. Searches of this type are effectively “direct” probes of the matter-antimatter asymmetry in the universe.

Asymmetry of $$B^\pm\to\pi^\pm K K$$ as a function position in the Dalitz plot. Asymmetry is mapped onto the z-axis.From LHCb-CONF-2012-028

By performing a sophisticated counting of signal events, CP violation is found with a statistical significance of $$4.2\sigma$$ for $$B^\pm\to\pi^\pm\pi^+\pi^-$$ and $$3.0\sigma$$ for $$B^\pm\to\pi^\pm K^+K^-$$. This is indeed evidence for CP violation, which requires a statistical significance >3$$\sigma$$.The puzzling part, however, comes when the Dalitz plot of the 3-body state is considered. It is possible to map the CP asymmetry as a function of position in the Dalitz plot, which is shown on the right. It’s important to note that these asymmetries are for both signal and background. Also, the binning looks funny in this plot because all bins are of approximately equal populations. In particular, notice red bins on the top left of the $$\pi\pi\pi$$ Dalitz plot and the dark blue and purple section on the left of the $$\pi K K$$ Dalitz plot. By zooming in on these regions, specifically $$m^2(\pi\pi_{high})>$$15 GeV/c$$^2$$ and $$m^2(K K)<$$3 GeV/c$$^2$$, and separating by $$B^+$$ and $$B^-$$, a clear and large asymmetry is shown (see plots below).

Now, I’d like to put these asymmetries in a little bit of perspective. Integrated over the Dalitz Plot, the resulting asymmetries are

$$A_{CP}(B^\pm\to\pi^\pm\pi^+\pi^-) = +0.120\pm 0.020(stat)\pm 0.019(syst)\pm 0.007(J/\psi K^\pm)$$

and

$$A_{CP}(B^\pm\to\pi^\pm K^+K^-) = -0.153\pm 0.046(stat)\pm 0.019(syst)\pm 0.007(J/\psi K^\pm)$$.

Whereas, in the regions which stick out, we find:

$$A_{CP}(B^\pm\to\pi^\pm\pi^+\pi^-\text{region}) = +0.622\pm 0.075(stat)\pm 0.032(syst)\pm 0.007(J/\psi K^\pm)$$

and

$$A_{CP}(B^\pm\to\pi^\pm K^+K^-\text{region}) = -0.671\pm 0.067(stat)\pm 0.028(syst)\pm 0.007(J/\psi K^\pm)$$.

These latter regions correspond to a statistical significance of >7$$\sigma$$ and >9$$\sigma$$, respectively. The interpretation of these results is a bit difficult: the asymmetries are four to five times that of the integrated asymmetries, and are not necessarily associated with a single resonance. We would expect in the $$\rho^0$$ and $$f_0$$ resonances to appear in the lowest region of $$\pi\pi\pi$$ Dalitz plot, in the asymmetry. In the $$K K\pi$$ Dalitz plot, there are really no scalar particles which we expect to give us an asymmetry of the kind we see. One possible answer to both these problems is that the quantum mechanical amplitudes are only partially interfering and giving the structure that we see. The only way to check this would be to do a more detailed analysis involving a fit to all of the possible resonances in these Dalitz plots. All I can say is that this result is certainly puzzling, and the explanation is not necessarily clear.

Zoom onto $$m^2(\pi\pi)$$ lower axis (left) and $$m^2(K K)$$ axis (right) . Up triangles are $$B^+$$, down are $$B^-$$

### Is the big Higgs news for next week?

Friday, March 1st, 2013

No! But some surprises might come after the Moriond conference, once theorists have time to combine and interpret the numerous improved results and newly designed analyses that will be presented over the next two weeks. New results will come not only from the Higgs boson searches but also from a plethora of new measurements. This is exactly what theorists need to put the Standard Model to the most stringent tests and find the way to a more encompassing theory. High precision measurements such as those presented by LHCb last year have a huge impact in removing some of the leeway in theoretical models.

The “Rencontres de Moriond” is the first major physics conference of the year. It will start on March 2 at an Italian ski resort. Traditionally, this is where most High Energy physics experiments present their latest results but this year, the conference might come too soon after data-taking stopped at the Large Hadron Collider (LHC), not giving enough time to the experiments to produce new results on all topics. The next updates will be prepared for the Large Hadron Collider Physics Conference in May, the European Physical Society Meeting in July and possibly for the CERN Council meeting in December to name a few.

Many people were hoping CMS and ATLAS, the two large multi-purpose experiments operating at the LHC at CERN, would finally announce that the boson discovered last year is really a Higgs boson. Unfortunately, it is still too early to say. Nevertheless, both experiments can be expected to show interesting updates on the new boson mass measurement, decay rates and spin, all of which will provide a clearer picture.

What will be of particular interest will be to see if the small deviations with respect to the Standard Model expectations observed last year by both experiments in various decay rates are going away or increasing. Both ATLAS and CMS obtained sometimes more, sometimes fewer events containing the new boson than what is expected from the Standard Model although these observations are all still consistent with the Standard Model. An excess of events in the two-photon decay rate could indicate that new particles contribute to the process, a possibility that many theorists hope would reveal the presence of supersymmetry.

A summary of all mass and decay rate measurements from ATLAS and CMS as of last December. The signal strength should be one for a Standard Model Higgs boson. The error margins are still too large everywhere to draw any conclusion.

New results will also be presented on searches for new particles such as heavier bosons or supersymmetric particles. Of course, if only one experiment observes a small deviation, the excitement will be limited until the other experiment responds. If both experiments see similar hints, it could get interesting.

Many physics topics will be covered and theorists will provide their latest models and interpretations.  So stay tune over the next two weeks, as I will be reporting all the highlights from this conference as they unfold.

Pauline Gagnon

### La réponse sur le boson de Higgs est-t-elle imminente?

Friday, March 1st, 2013

Non! Mais de belles surprises pourraient bien émerger après la conférence de Moriond, une fois que les théoricien-ne-s auront eu le temps de combiner et interpréter tous les nouveaux résultats et mises à jour qui seront présentés pendant les deux semaines à venir. Ces résultats viendront de tous les secteurs et pas seulement des recherches sur le boson de Higgs.  C’est exactement ce dont les théoricien-ne-s ont besoin pour soumettre le Modèle Standard aux tests les plus rigoureux et détecter peut-être la faille révélant une théorie plus complète. Les mesures de précision comme celles présentées l’an dernier par LHCb ont un impact majeur en limitant la marge de manœuvre du modèle.

Les “Rencontres de Moriond” sont la première conférence de physique majeure de l’année. Elles débutent le 2 mars dans une station des Alpes italiennes. Traditionnellement, c’est là que la plupart des expériences de physique des particules présentent leurs résultats mais cette année, elle arrive un peu trop tôt après la fin de la prise des données au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ne laissant pas suffisamment de temps aux expériences pour résoudre toutes les complexités reliées à la calibration et reconstruction des données nécessaires pour produire des résultats sur toutes les analyses. De prochaines mises à jour viendront entre autres en mai (Large Hadron Collider Physics), en juillet (European Physical Society) et possiblement en décembre à la réunion du Conseil du CERN.

Plusieurs espéraient que CMS et ATLAS, les deux grandes expériences du LHC au CERN, annonceraient enfin que le boson découvert l’été dernier est bel et bien un boson de Higgs. Malheureusement, il est encore trop tôt pour en avoir le cœur net. Cependant, les deux expériences devraient révéler leurs toutes dernières analyses sur la masse, les modes de désintégrations et le spin du nouveau boson, toutes ces propriétés qui contribuent à en donner une image plus précise.

Un aspect à surveiller tout particulièrement : les petites déviations par rapport aux prédictions théoriques observées l’an dernier par les deux expériences dans les taux de désintégration du nouveau boson se maintiendront-elles ? ATLAS et CMS obtiennent parfois plus, parfois moins d’évènements que ce qui est prédit par la théorie, bien que les marges d’incertitude soient encore trop fortes pour qu’on puisse se prononcer. Tout demeure consistent avec le Modèle Standard mais un excès dans le canal de désintégration en deux photons par exemple pourrait révéler que de nouvelles particules contribuent à ces désintégrations, une possibilité que bien des théoricien-ne-s espèrent voir révéler la présence de nouvelles particules supersymétriques.

Un résumé de la situation en décembre dernier sur toutes les mesures de masse et de canaux de désintégration effectuées par ATLAS et CMS. L’intensité du signal devrait être 1.0 pour un boson de Higgs du Modèle Standard. Etant donné les marges d’incertitude, tout est toujours en accord avec les prévisons théoriques.

De nouveaux résultats sont aussi attendus sur la recherche de nouvelles particules tels que des bosons plus lourds ou des particules supersymétriques. Bien sûr, si une seule expérience présente une petite déviation, l’excitation sera limitée en attendant la réaction de l’autre expérience. Mais si les deux trouvent des indices similaires, il y aurait de quoi prêter attention.

Bien des sujets seront abordés et plusieurs théoricien-ne-s y présenteront leurs plus récents modèles et interprétations. Restez donc à l’écoute pour les deux semaines à venir, alors que j’expliquerai ici les points forts de la conférence.

Pauline Gagnon

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