¡Hazlo Tú Mismo! Descubre tu Bosón de Higgs

Si estáis cansados de todos los rumores y hartos de esperar a que se hagan públicos los nuevos resultados del bosón de Higgs, os puede interesar esta guía. En 10 sencillos pasos aprenderéis como buscar y encontrar (si existe) el bosón de Higgs “a la ATLAS“.

Paso 1 Lo primero que debéis hacer es conseguir unos cuantos cientos de millones de colisiones a alta energía. Lo podéis pedir a un amigo. Digamos entre unos 10 o 15 fb inversos para estar seguros de tener suficiente. Además, necesitaremos datos simulados, algunos millones de colisiones (sucesos), simulando procesos : WH, ZH, ttH así como varios fondos. Habrá que tener preparados un centenar de Terabytes para guardarlo todo.

Paso 2 Procesaremos los datos en seleccionando las colisiones con las características de la desintegración del Higgs a fotones. Para ello buscaremos colisiones con dos fotones de alto momento transverso ( p_T ). Habrá que asegurarse que son realmente fotones realizando cortes de calidad a los candidatos.

Paso 3 Una vez filtrados los sucesos reconstruiremos la masa invariante del par de fotones ( ). Esto es la masa que tendría una partícula que se hubiera desintegrado en estos dos fotones. Obtendremos así una distribución como la de abajo.

Paso 4 Esta distribución es en su mayor parte fondo, esto es procesos que resultan en dos fotones pero que no son debidos a la desintegración del bosón de Higgs o provienen de procesos en los que hemos confundido un fotón con algún otro tipo de objeto. Uno de los más importantes fondos del segundo tipo es el causado por un fotón más un jet (chorro) que tendría las características del fotón. Pero lo que más encontraremos son simplemente dos fotones creados por procesos diferentes a la desintegración del bosón de Higgs.

Paso 5 Podemos a este punto establecer una clasificación de los sucesos seleccionados en base a las características de los fotones o a la región del detector donde han sido detectados. Distintas regiones pueden tener características (precisión) diferente. Esto permitirá aumentar la sensibilidad de nuestra medida.

Paso 6 En este punto es cuando utilizaremos los datos simulados, necesitamos saber como sería la señal que esperamos de la desintegración del Higgs. Los datos simulados estarán corregidos de forma que emulan a los datos reales, la señal simulada del Higgs en el detector correspondería con la simulada. Obtendremos que señal (cuantas entradas en la gráfica anterior en función de ) esperaríamos para cada una de las masas posibles del bosón.

Paso 7 Bueno, ya estamos más cerca. El siguiente paso es uno de los definitivos, tenemos que modelar el fondo. Para este análisis en particular ajustaremos la gráfica anterior con una función que reproduce la forma general en el rango estudiado. La función exponencial es una candidata ideal en este caso. Ya tenemos modelada la señal y el fondo, podemos obtener para cada valor de la masa del Higgs cuantas entradas esperaríamos (fondo más señal).

Paso 8 Hemos llegado al paso más importante de todos, el cálculo de errores. Tenemos que ver todos los lugares en nuestro análisis donde nuestro procedimiento podría estar equivocado o no ser el perfecto. Calcularemos el efecto de este desconocimiento en nuestro resultado. Como además de ser el paso más importante es el más aburrido y largo, mejor le pedís al amigo que os prestó los datos que os ayude…

Paso 9 Con la descripción del fondo y la señal ahora podemos calcular para cada valor de la masa invariante cual es la probabilidad de que el resultado obtenidos sean fruto de una fluctuación estadística. Se compara la predicción para el fondo con el valor obtenido en los datos así como su compatibilidad con la señal esperada. Con esto podemos calcular las famosas sigma y obtener el gráfico de abajo. Para estar más seguros, añadiremos el look-elsewhere effect, es decir la probabilidad de que una fluctuación de ese tamaño pueda ocurrir no solo en la masa que estamos considerando sino en alguna parte del rango de estudio.

Paso 10 Si habéis llegado al final y hemos tenido “suerte” obteniendo al menos 5-sigmas, ya podéis anunciar que tenéis el bosón de Higgs. De otro modo solo podréis anunciar las regiones donde estáis seguros que no está el bosón de Higgs.

Las gráficas de ejemplo son las publicadas con los datos de 2011. Más información sobre los procedimientos los artículos con datos del 2011 : artículo de ATLAS y artículo con los resultados de CMS. En este blog : entrada sobre la sigma y gráficos de exclusión.