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Posts Tagged ‘anomalies’

Si, et vraiment seulement si…

Wednesday, December 16th, 2015

Si le LHC était une échelle et les nouvelles particules tant recherchées, des boîtes cachées sur les étagères les plus hautes, la montée en énergie du LHC s’apparente à l’acquisition d’une échelle plus longue donnant accès aux dernières étagères. Fin 2012, les échelles étaient plus courtes, mais on en avait dix fois plus, facilitant l’exploration des étagères à notre portée. ATLAS et CMS viennent de jeter leur premier coup d’œil à un endroit jamais exploré auparavant mais auront besoin de plus de données pour les inspecter en profondeur.

Le 15 décembre, lors du séminaire de fin d’année, les expériences CMS et ATLAS du CERN ont présenté leurs premiers résultats basés sur les toutes nouvelles données accumulées en 2015 depuis la reprise du Grand collisionneur de hadrons (LHC) à 13 TeV, l’énergie d’exploitation la plus haute jamais atteinte. Bien que la quantité de données ne soit que le dixième de ce qu’elle était à plus basse énergie (soit 4 fb-1 pour ATLAS et 2,8-1 fb pour CMS pour les données recueillies à 13 TeV comparés à 25 fb-1 à 8 TeV pour chaque expérience), cette augmentation en énergie met désormais des particules hypothétiques plus massives à la portée des expériences.

Les deux expériences ont d’abord démontré comment leurs détecteurs se sont comportés après plusieurs améliorations majeures, y compris l’acquisition des données à deux fois le taux utilisé en 2012. Les deux groupes ont contrôlé sous toutes les coutures comment les particules déjà connues se comportent à plus haute énergie, sans trouver d’anomalies. Mais c’est dans la recherche de particules nouvelles et plus lourdes que tous les espoirs sont permis. Les deux groupes ont exploré des douzaines de possibilités différentes, triant des milliards d’événements.

Chaque événement est un cliché de ce qui s’est produit lorsque deux protons entrent en collision dans le LHC. L’énergie dégagée par la collision se matérialise sous forme de particules lourdes et instables qui se désintègrent aussitôt, provoquant de mini feux d’artifice. En attrapant, identifiant et regroupant toutes les particules qui s’échappent du point de collision, on peut reconstruire les particules originales qui ont été produites.

Les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux trouvé de petits excès en sélectionnant les événements contenant deux photons. Dans plusieurs de ces événements, les deux photons semblent venir de la désintégration d’une particule ayant une masse d’environ 750 GeV, soit 750 fois plus lourde qu’un proton ou 6 fois la masse d’un boson de Higgs. Puisque les deux expériences ont regardé une multitude de combinaisons différentes, en vérifiant à chaque fois des douzaines de valeurs de masse pour chaque combinaison, on s’attend toujours à trouver de telles fluctuations statistiques.

ATLAS-diphotonPartie supérieure : la masse combinée exprimée en GeV pour toutes les paires de photons trouvées dans les données récoltées à 13 TeV par ATLAS. Le trait rouge montre à quoi on s’attend venant de sources aléatoires (communément appelé bruit de fond). Les points noirs correspondent aux données et les lignes, les erreurs expérimentales. La petite bosse à 750 GeV est ce qui est maintenant intrigant. La partie du bas montre la différence entre des points noirs (les données) et la courbe rouge (le bruit de fond), montrant clairement un petit excès de 3,6σ ou 3,6 fois l’erreur expérimentale. Quand on prend en compte toutes les fluctuations possibles à toutes les valeurs de masse considérées, l’excès n’est plus que de 2,0σ.

Ce qui est intrigant, c’est que les deux équipes ont trouvé la même chose à exactement au même endroit, sans s’être consulté et en utilisant des techniques de sélection conçues pour ne pas biaiser les données. Néanmoins, les deux groupes expérimentaux sont extrêmement prudents, déclarant qu’une fluctuation statistique est toujours possible jusqu’à ce que plus de données soient disponibles pour tout vérifier avec une précision accrue.
CMS-combined-p0CMS a légèrement moins de données qu’ATLAS à 13 TeV et par conséquent, décèle un effet beaucoup plus petit. Dans leurs seules données prises à 13 TeV, l’excès à 760 GeV est de 2,6σ, 3,0σ lorsque combiné avec les données de 8 TeV. Mais au lieu de juste évaluer cette probabilité localement, les physiciens et physiciennes préfèrent prendre en compte les fluctuations pour toutes les valeurs de masse considérées. La probabilité n’est alors que de 1,2σ, pas de quoi fouetter un chat. C’est “l’effet de regarder ailleurs” : il prend en compte qu’on finit toujours par trouver une fluctuation quelque part quand on regarde dans tant d’endroits.

Les théoriciens et théoriciennes se retiennent beaucoup moins. Depuis des décennies, on sait que le Modèle standard, le modèle théorique actuel de la physique des particules, n’explique pas tout, sans pouvoir progresser. Tout le monde espère donc qu’un indice viendra des données expérimentales pour aller de l’avant. Beaucoup ont dû travailler dur toute la nuit car huit nouveaux articles sont apparus dès ce matin, proposant des explications variées sur la nature possible de la nouvelle particule, si particule nouvelle il y a. Quelques personnes pensent que cela pourrait être une particule liée à la matière sombre, d’autres penchent pour un autre type de boson de Higgs tel que prédit par la Supersymétrie ou même y voient les premiers signes de nouvelles dimensions. D’autres proposent qu’un tel effet ne pourrait se produire que si cette particule s’accompagne d’une deuxième particule plus lourde. Tout le monde suggère quelque chose au-delà du Modèle standard.

Deux choses sont certaines : tout d’abord, le nombre d’articles théoriques dans les prochaines semaines va exploser. Et deuxièmement, on ne pourra pas dire si il y a nouvelle particule sans plus de données. Avec un peu de chance, nous pourrions en savoir plus dès l’été prochain lorsque le LHC aura produit plus de données. D’ici là, tout cela n’est que pure spéculation.

Ceci étant dit, il ne faut toutefois pas oublier que le boson de Higgs a fait son apparition de façon très semblable. Les premiers signes de son existence étaient déjà visibles en juillet 2011. Avec plus de données, ces signes s’étaient renforcés en décembre 2011 à un autre séminaire de fin d’année mais sa découverte n’a pu être établie que lorsque encore plus de données eurent été recueillies et analysées en juillet 2012. Ouvrir ses cadeaux avant Noël n’est jamais une bonne idée.

Passez de bonnes Fêtes, Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels». Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution.

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If, and really only if…

Wednesday, December 16th, 2015

If the LHC were a ladder and the new sought-after particles, boxes hidden on the top shelves, operating the LHC at higher energy is like having a longer ladder giving us access to the higher shelves. By the end of 2012, our ladders were shorter but we had 10 times more than now. ATLAS and CMS just had their first glimpse at a place never reached before but more data is still needed to explore this space thoroughly.

On December 15, at the End-of-the-Year seminar, the CMS and ATLAS experiments from CERN presented their first results using the brand new data accumulated in 2015 since the restart of the Large Hadron Collider (LHC) at 13 TeV, the highest operating energy so far. Although the size of the data sample is still only one tenth of what was available at lower energy (namely 4 fb-1 for ATLAS and 2.8-1 fb for CMS collected at 13 TeV compared to 25 fb-1 at 8 TeV for each experiment), it has put hypothetical massive particles within reach.

Both experiments showed how well their detectors performed after several major improvements, including collecting data at twice the rate used in 2012. The two groups made several checks on how known particles behave at higher energy, finding no anomalies. But it is in searches for new, heavier particles that every one hopes to see something exciting. Both groups explored dozens of different possibilities, sifting through billions of events.

Each event is a snapshot of what happens when two protons collide in the LHC. The energy released by the collision materializes into some heavy and unstable particle that breaks apart mere instants later, giving rise to a mini firework. By catching, identifying and regrouping all particles that fly apart from the collision point, one can reconstruct the original particles that were produced.

Both CMS and ATLAS found small excesses when selecting events containing two photons. In several events, the two photons seem to come from the decay of a particle having a mass around 750 GeV, that is, 750 times heavier than a proton or 6 times the mass of a Higgs boson. Since the two experiments looked at dozens of different combinations, checking dozens of mass values for each combination, such small statistical fluctuations are always expected.

ATLAS-diphoton

Top part: the combined mass given in units of GeV for all pairs of photons found in the 13 TeV data by ATLAS. The red curve shows what is expected from random sources (i.e. the background). The black dots correspond to data and the lines, the experimental errors. The small bump at 750 GeV is what is now intriguing. The bottom plot shows the difference between black dots (data) and red curve (background), clearly showing a small excess of 3.6σ or 3.6 times the experimental error. When one takes into account all possible fluctuations at all mass values, the significance is only 2.0σ

What’s intriguing here is that both groups found the same thing at exactly the same place, without having consulted each other and using selection techniques designed not to bias the data. Nevertheless, both experimental groups are extremely cautious, stating that a statistical fluctuation is always possible until more data is available to check this with increased accuracy.

CMS-combined-p0CMS has slightly less data than ATLAS at 13 TeV and hence, sees a much smaller effect. In their 13 TeV data alone, the excess at 760 GeV is about 2.6σ, 3σ when combined with the 8 TeV data. But instead of just evaluating this probability alone, experimentalists prefer take into account the fluctuations in all mass bins considered. Then the significance is only 1.2σ, nothing to write home about. This “look-elsewhere effect” takes into account that one is bound to see a fluctuation somewhere when ones look in so many places.

Theorists show less restrain. For decades, they have known that the Standard Model, the current theoretical model of particle physics, is flawed and have been looking for a clue from experimental data to go further. Many of them have been hard at work all night and eight new papers appeared this morning, proposing different explanations on which new particle could be there, if something ever proves to be there. Some think it could be a particle related to Dark Matter, others think it could be another type of Higgs boson predicted by Supersymmetry or even signs of extra dimensions. Others offer that it could only come from a second and heavier particle. All suggest something beyond the Standard Model.

Two things are sure: the number of theoretical papers in the coming weeks will explode. But establishing the discovery of a new particle will require more data. With some luck, we could know more by next Summer after the LHC delivers more data. Until then, it remains pure speculation.

This being said, let’s not forget that the Higgs boson made its entry in a similar fashion. The first signs of its existence appeared in July 2011. With more data, they became clearer in December 2011 at a similar End-of-the-Year seminar. But it was only once enough data had been collected and analysed in July 2012 that its discovery made no doubt. Opening one’s gifts before Christmas is never a good idea.

Have a good Holiday Season, Pauline Gagnon

To learn more about particle physics and what might be discovered at the LHC, don’t miss my upcoming book : « Who cares about particle physics : Making sense of the Higgs boson, Large Hadron Collider and CERN ». To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification.

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Two anomalies worth noticing

Monday, July 14th, 2014

The 37th International Conference on High Energy Physics just finished in Valencia, Spain. This year, no big surprises were announced: no new boson, no signs from new particles or clear phenomena revealing the nature of dark matter or new theories such as Supersymmetry. But as always, a few small anomalies were reported.

Looking for deviations from the theoretical predictions is precisely how experimentalists are trying to find a way to reveal “new physics”. It would help discover a more encompassing theory since everybody realises the current theoretical model, the Standard Model, has its limits and must be superseded by something else. However, all physicists know that small deviations often come and go. All measurements made in physics follow statistical laws. Therefore deviations from the expected value by one standard deviation occur in three measurements out of ten. Larger deviations are less common but still possible. A two standard deviation happens 5% of the time. Then there are systematic uncertainties that relate to the experimental equipment. These are not purely statistical, but can be improved with a better understanding of our detectors. The total experimental uncertainty quoted with each result corresponds to one standard variation. Here are two small anomalies reported at this conference that attracted attention this year.

The ATLAS Collaboration showed its preliminary result on the production of a pair of W bosons. Measuring this rate provides excellent checks of the Standard Model since theorists can predict how often pairs of W bosons are produced when protons collide in the Large Hadron Collider (LHC). The production rate depends on the energy released during these collisions. So far, two measurements can be made since the LHC operated at two different energies, namely 7 TeV and 8 TeV.

CMS and ATLAS had already released their results on their 7 TeV data. The measured rates exceeded slightly the theoretical prediction but were both well within their experimental error with a deviation of 1.0 and 1.4 standard deviation, respectively. CMS had also published results based on about 20% of all data collected at 8 TeV. It exceeded slightly the theoretical prediction by 1.7 standard deviation. The latest ATLAS result adds one more element to the picture. It is based on the full 8 TeV data sample. Now ATLAS reports a slightly stronger deviation for this rate at 8 TeV with 2.1 standard deviations from the theoretical prediction.

WWResults

The four experimental measurements for the WW production rate (black dots) with the experimental uncertainty (horizontal bar) as well as the current theoretical prediction (blue triangle) with its own uncertainty (blue strip). One can see that all measurements are higher than the current prediction, indicating that the theoretical calculation fails to include everything.

The four individual measurements are each reasonably consistent with expectation, but the fact that all four measurements lie above the predictions becomes intriguing. Most likely, this means that theorists have not yet taken into account all the small corrections required by the Standard Model to precisely determine this rate. This would be like having forgotten a few small expenses in one’s budget, leading to an unexplained deficit at the end of the month. Moreover, there could be common factors in the experimental uncertainties, which would lower the overall significance of this anomaly. But if the theoretical predictions remain what they are even when adding all possible little corrections, it could indicate the existence of new phenomena, which would be exciting. It would then be something to watch for when the LHC resumes operation in 2015 at 13 TeV.

The CMS Collaboration presented another intriguing result. They found some events consistent with coming from a decay of a Higgs boson into a tau and a muon. Such decays are prohibited in the Standard Model since they violate lepton flavour conservation. There are three “flavours” or types of charged leptons (a category of fundamental particles): the electron, the muon and the tau. Each one comes with its own type of neutrinos. According to all observations made so far, leptons are always produced either with their own neutrino or with their antiparticle. Hence, the decay of a Higgs boson in leptons should always produce a charged lepton and its antiparticle, but never two charged leptons of different flavour. Violating a conservation laws in particle physics is simply not allowed.

This needs to be scrutinised with more data, which will be possible when the LHC resumes next year. Lepton flavour violation is allowed outside the Standard Model in various models such as models with more than one Higgs doublet or composite Higgs models or Randall-Sundrum models of extra dimensions for example. So if both ATLAS and CMS confirm this trend as a real effect, it would be a small revolution.

HtomutauThe results obtained by the CMS Collaboration showing that six different channels all give a non-zero value for the decay rate of Higgs boson into pairs of tau and muon.

Pauline Gagnon

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