El anuncio del 4 de julio fue sólo una parte de la historia. Echa un vistazo detrás del escenario del descubrimiento del bosón de Higgs.
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Julio 03 de 2017
Joe Incandela estaba sentado en una sala de conferencias del CERN y observó con los brazos cruzados mientras sus colegas presentaban los últimos resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs. Era diciembre de 2011, y habían comenzado a ver lo que buscaban — un golpe inexplicable que emergía de los datos.
"Estaba lejos de estar convencido", dice Incandela, profesor de la Universidad de California en Santa Bárbara y ex portavoz del experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones.
Durante décadas, los científicos habían buscado el evasivo bosón de Higgs: el santo grial de la física moderna y la única pieza del robusto y probado modelo estándar que todavía no se había encontrado.
La construcción del LHC fue motivada en gran parte por la ausencia de este componente fundamental de nuestra imagen del universo. Sin ella, los físicos no podían explicar el origen de la masa o las fuerzas divergentes de las fuerzas fundamentales.
"Sin el bosón de Higgs, el modelo estándar se desmorona", dice Matthew McCullough, un teórico del CERN. "El modelo estándar encajaba tan bien los datos experimentales que la mayor parte de la comunidad teórica estaba convencida de que algo que desempeñaba el papel del bosón de Higgs sería descubierto por el LHC".
El Modelo Estándar predijo la existencia del Higgs pero no predijo cuál sería la masa de la partícula. Con los años, los científicos lo habían buscado a través de una amplia gama de masas posibles. Para 2011, sólo quedaba una pequeña región para buscar; Todo lo demás había sido excluido por generaciones anteriores de experimentación. Si el bosón de Higgs estaba previsto en cualquier lugar, tenía que estar allí, justo donde estaban mirando los científicos del LHC.
Pero Incandela dice que era escéptico sobre estos resultados preliminares. Él sabía que el Higgs podía manifestarse en muchas formas diferentes, y este canal en particular era extremadamente delicado.
"Un pequeño error o una desafortunada distribución de los eventos de fondo podría hacer que parezca que una nueva partícula está emergiendo de los datos cuando en realidad no es nada", dice Incandela.
Un mantra común en la ciencia es que las demandas extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. El desafío no es sólo recoger los datos y realizar el análisis; Es decidir si cada parte del análisis es confiable. Si el análisis es a prueba de balas, la siguiente pregunta es si la evidencia es lo suficientemente substancial como para reclamar un descubrimiento. Y si un descubrimiento puede ser reclamado, la pregunta final es lo que, exactamente, se ha descubierto? Los científicos pueden tener plena confianza en sus resultados, pero siguen sin saber cómo interpretarlos.
En física, es fácil decir lo que no es algo, pero casi imposible decir lo que es. Una sola pieza de evidencia corroborada y contradictoria puede desacreditar toda una teoría y destruir la credibilidad de una organización.
"Nunca podremos decir definitivamente si algo es exactamente lo que pensamos que es, porque siempre hay algo que no sabemos y no podemos probar ni medir", dijo Incandela. "Siempre podría haber una nueva propiedad o característica muy sutil en un experimento de alta precisión que revolucione nuestro entendimiento".
Con todo eso en mente, Incandela y su equipo tomaron una decisión: a partir de ese momento, todos refinarían sus análisis científicos utilizando muestras de datos especiales y un parche de datos falsos generados por simulaciones por computadora que abarcarían las áreas interesantes de sus análisis. Entonces, cuando estaban seguros acerca de su metodología y tenían suficientes datos para hacer una observación significativa, eliminarían el parche y usarían sus algoritmos en todos los datos reales en un proceso llamado unblinding.
"Esta es una buena manera de proporcionar una visión imparcial de los datos y nos ayuda a construir la confianza en las señales inesperadas que pueden aparecer, sobre todo si la misma señal inesperada se ve en diferentes tipos de análisis", dijo Incandela.
Unas semanas antes del 4 de julio, todos los grupos de análisis se reunieron con Incandela para presentar una primera mirada a sus resultados no cegados. Esta vez el bulto fue muy significativo y apareció en la misma masa en dos canales independientes.
"En ese momento, sabía que teníamos algo", dice Incandela. "Aquella tarde presentamos los resultados al resto de la colaboración. Las próximas semanas fueron de las más intensas que he experimentado. "
Mientras tanto, el otro experimento de propósito general en el LHC, ATLAS, estaba en el camino del mismo misterioso bache.
Andrew Hard era un estudiante de posgrado en la Universidad de Wisconsin, Madison que trabajaba en el análisis de ATLAS Higgs con su consejero de la tesis doctoral Sau Lan Wu.
"Originalmente, mi plan habría sido regresar a Tennessee y visitar a mis padres durante las vacaciones de invierno", dice Hard. "En cambio, llegué al CERN todos los días durante cinco meses, incluso en Navidad. Hubo algunos días en los que no vi a nadie más en el CERN. Una vez pensé que algunos colegas habían entrado en la oficina, pero resultó ser dos gatos callejeros luchando en el pasillo ".
Hard fue responsable de escribir el código que seleccionó y calibró las partículas de luz que el detector ATLAS registró durante las colisiones de alta energía del LHC. De acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, el Higgs puede transformarse en dos de estas partículas cuando se desintegra, por lo que los científicos en ambos experimentos sabían que este proyecto sería clave para el proceso de descubrimiento.
"Todos trabajamos más de lo que pensábamos que podíamos", dijo Hard. "La gente colaboró bien y todo el mundo estaba entusiasmado con lo que vendría después. En definitiva, fue el momento más emocionante de mi carrera. Creo que las mejores cualidades de la comunidad surgieron durante el descubrimiento. "
A finales de junio, Hard y sus colegas sintetizaron todo su trabajo en un solo análisis para ver lo que reveló. Y allí estaba de nuevo, ese mismo golpe, esta vez superando el umbral estadístico que la comunidad de física de partículas requiere generalmente para reclamar un descubrimiento.
"Pronto todos en el grupo comenzaron a correr a la oficina para ver el número por primera vez", dijo Hard. "El grupo de Wisconsin tomó un montón de fotos con la trama de descubrimiento".
Hard no tenía idea de si los científicos de la CMS estaban mirando lo mismo. En este punto, los experimentos mantenían secretos sus últimos resultados —a excepción de Incandela, Fabiola Gianotti (entonces portavoz de ATLAS) y un puñado de altos directivos del CERN, que se reunían regularmente para discutir su progreso y sus resultados.
"Le dije a la colaboración que lo más importante era que cada experimento funcionara de forma independiente y no se preocupara por lo que estaba viendo el otro experimento", dijo Incandela. "No le conté a nadie lo que sabía de ATLAS. No era relevante para las tareas que se estaban realizando ".
Sin embargo, los rumores circulaban alrededor de los grupos teóricos de física tanto en el CERN como en el extranjero. Mccullough, entonces un postdoc en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, estaba avidamente siguiendo el progreso de los dos experimentos .
"Tuvimos una actualización en diciembre de 2011 y luego otra unos meses más tarde en marzo, así que sabíamos que ambos experimentos estaban viendo algo", dijo. "Cuando este gran exceso apareció en julio de 2012, todos estábamos convencidos de que era el responsable de curar los males del Modelo Estándar, pero no necesariamente precisamente ese tipo predicho por el Modelo Estándar. Podría tener propiedades en su mayoría consistentes con el bosón de Higgs, pero aún así no son absolutamente idénticas ".
La semana antes de anunciar lo que habían encontrado, el grupo de análisis de Hard tenía reuniones diarias para discutir sus resultados. Dice que estaban emocionados pero también nerviosos y estresados: reclamaciones extraordinarias requieren una confianza extraordinaria.
"Una de nuestras reuniones duró más de 10 horas, sin incluir el descanso de la cena a mitad de camino", dijo Hard. "Recuerdo que me metí en un intercambio con un colega que me acusó de tener un fallo en mi código".
Después de que ambos grupos escudriñaron de forma independiente e intensa su bache de Higgs a través de una serie de controles, comprobaciones cruzadas y revisiones internas, Incandela y Gianotti decidieron que era hora de decirle al mundo.
"Algunas personas me preguntaron si estaba seguro de que deberíamos decir algo", dijo Incandela. "Recuerdo haber dicho que este tren ha salido de la estación. Esto es para lo que hemos estado trabajando, y necesitamos respaldar nuestros resultados ".
El 4 de julio de 2012, Incandela y Gianotti se presentaron ante una multitud expectante y, uno por uno, anunciaron que décadas de búsqueda y generaciones de experimentos habían culminado finalmente en el descubrimiento de una partícula "compatible con el bosón de Higgs".
Los periodistas científicos se regocijaron y se apresuraron a publicar sus historias. Pero, ¿era esta nueva partícula el tan esperado bosón de Higgs? ¿O no?
Los descubrimientos en la ciencia rara vez ocurren a la vez; Más bien, se construyen lentamente con el tiempo. E incluso cuando la evidencia señala de manera abrumadora una dirección clara, los científicos rara vez hablan con superlativos o hacen afirmaciones definitivas.
"Siempre existe el riesgo de pasar por alto los detalles", dijo Incandela, "y las grandes revoluciones en la ciencia a menudo nacen en los detalles".
Inmediatamente después del anuncio del 4 de julio, teóricos de todo el mundo emitieron una ráfaga de artículos teóricos que presentaban explicaciones alternativas y posibles pruebas para ver si este exceso era realmente el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar o algo similar.
"Muchos artículos teóricos exploraban ideas exóticas", dijo McCullough. "Todo es parte del ejercicio. Estos papeles actúan como un hombre de paja para que podamos ver lo bien que entendemos la partícula y qué pruebas adicionales deben ejecutarse ".
Durante los siguientes meses, los científicos continuaron examinando la partícula y sus propiedades. Cuantos más datos recopilaran y más exámenes corrieran, más el descubrimiento se parecía al tan esperado bosón de Higgs. En marzo, ambos experimentos tenían el doble de datos y el doble de pruebas.
"Entre nosotros, lo llamamos Higgs", dijo Incandela, "pero para el público, éramos más cuidadosos".
Sin embargo, era cada vez más difícil seguir calificando sus declaraciones al respecto. "Se estaba poniendo demasiado complicado", dijo Incandela. "No queríamos estar siempre en esta posición donde teníamos que hablar de esta partícula como si no supiéramos qué era".
El 14 de marzo de 2013, nueve meses y diez días después del anuncio original, el CERN publicó un comunicado de prensa que citaba a Incandela diciendo: "para mí, está claro que estamos tratando con un bosón de Higgs, aunque todavía tenemos un largo camino para Vaya a saber qué clase de bosón de Higgs es. "
Hasta el día de hoy, los científicos están abiertos a la posibilidad de que el Higgs que encontraron no es exactamente el Higgs que esperaban.
"Definitivamente estamos 100% seguros de que se trata de un bosón de Higgs de modelo estándar", dijo Incandela. "Pero esperamos que haya un agujero en esa armadura en alguna parte. El Higgs es un letrero, y esperamos una ligera discrepancia que nos guíe hacia la nueva física ".
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Crédito de la imagen: Maximilien Brice, Laurent Egli, CERN
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Julio 03 de 2017
Joe Incandela estaba sentado en una sala de conferencias del CERN y observó con los brazos cruzados mientras sus colegas presentaban los últimos resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs. Era diciembre de 2011, y habían comenzado a ver lo que buscaban — un golpe inexplicable que emergía de los datos.
"Estaba lejos de estar convencido", dice Incandela, profesor de la Universidad de California en Santa Bárbara y ex portavoz del experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones.
Durante décadas, los científicos habían buscado el evasivo bosón de Higgs: el santo grial de la física moderna y la única pieza del robusto y probado modelo estándar que todavía no se había encontrado.
La construcción del LHC fue motivada en gran parte por la ausencia de este componente fundamental de nuestra imagen del universo. Sin ella, los físicos no podían explicar el origen de la masa o las fuerzas divergentes de las fuerzas fundamentales.
"Sin el bosón de Higgs, el modelo estándar se desmorona", dice Matthew McCullough, un teórico del CERN. "El modelo estándar encajaba tan bien los datos experimentales que la mayor parte de la comunidad teórica estaba convencida de que algo que desempeñaba el papel del bosón de Higgs sería descubierto por el LHC".
El Modelo Estándar predijo la existencia del Higgs pero no predijo cuál sería la masa de la partícula. Con los años, los científicos lo habían buscado a través de una amplia gama de masas posibles. Para 2011, sólo quedaba una pequeña región para buscar; Todo lo demás había sido excluido por generaciones anteriores de experimentación. Si el bosón de Higgs estaba previsto en cualquier lugar, tenía que estar allí, justo donde estaban mirando los científicos del LHC.
Pero Incandela dice que era escéptico sobre estos resultados preliminares. Él sabía que el Higgs podía manifestarse en muchas formas diferentes, y este canal en particular era extremadamente delicado.
"Un pequeño error o una desafortunada distribución de los eventos de fondo podría hacer que parezca que una nueva partícula está emergiendo de los datos cuando en realidad no es nada", dice Incandela.
Un mantra común en la ciencia es que las demandas extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. El desafío no es sólo recoger los datos y realizar el análisis; Es decidir si cada parte del análisis es confiable. Si el análisis es a prueba de balas, la siguiente pregunta es si la evidencia es lo suficientemente substancial como para reclamar un descubrimiento. Y si un descubrimiento puede ser reclamado, la pregunta final es lo que, exactamente, se ha descubierto? Los científicos pueden tener plena confianza en sus resultados, pero siguen sin saber cómo interpretarlos.
En física, es fácil decir lo que no es algo, pero casi imposible decir lo que es. Una sola pieza de evidencia corroborada y contradictoria puede desacreditar toda una teoría y destruir la credibilidad de una organización.
"Nunca podremos decir definitivamente si algo es exactamente lo que pensamos que es, porque siempre hay algo que no sabemos y no podemos probar ni medir", dijo Incandela. "Siempre podría haber una nueva propiedad o característica muy sutil en un experimento de alta precisión que revolucione nuestro entendimiento".
Con todo eso en mente, Incandela y su equipo tomaron una decisión: a partir de ese momento, todos refinarían sus análisis científicos utilizando muestras de datos especiales y un parche de datos falsos generados por simulaciones por computadora que abarcarían las áreas interesantes de sus análisis. Entonces, cuando estaban seguros acerca de su metodología y tenían suficientes datos para hacer una observación significativa, eliminarían el parche y usarían sus algoritmos en todos los datos reales en un proceso llamado unblinding.
"Esta es una buena manera de proporcionar una visión imparcial de los datos y nos ayuda a construir la confianza en las señales inesperadas que pueden aparecer, sobre todo si la misma señal inesperada se ve en diferentes tipos de análisis", dijo Incandela.
Unas semanas antes del 4 de julio, todos los grupos de análisis se reunieron con Incandela para presentar una primera mirada a sus resultados no cegados. Esta vez el bulto fue muy significativo y apareció en la misma masa en dos canales independientes.
"En ese momento, sabía que teníamos algo", dice Incandela. "Aquella tarde presentamos los resultados al resto de la colaboración. Las próximas semanas fueron de las más intensas que he experimentado. "
Mientras tanto, el otro experimento de propósito general en el LHC, ATLAS, estaba en el camino del mismo misterioso bache.
Andrew Hard era un estudiante de posgrado en la Universidad de Wisconsin, Madison que trabajaba en el análisis de ATLAS Higgs con su consejero de la tesis doctoral Sau Lan Wu.
"Originalmente, mi plan habría sido regresar a Tennessee y visitar a mis padres durante las vacaciones de invierno", dice Hard. "En cambio, llegué al CERN todos los días durante cinco meses, incluso en Navidad. Hubo algunos días en los que no vi a nadie más en el CERN. Una vez pensé que algunos colegas habían entrado en la oficina, pero resultó ser dos gatos callejeros luchando en el pasillo ".
Hard fue responsable de escribir el código que seleccionó y calibró las partículas de luz que el detector ATLAS registró durante las colisiones de alta energía del LHC. De acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, el Higgs puede transformarse en dos de estas partículas cuando se desintegra, por lo que los científicos en ambos experimentos sabían que este proyecto sería clave para el proceso de descubrimiento.
"Todos trabajamos más de lo que pensábamos que podíamos", dijo Hard. "La gente colaboró bien y todo el mundo estaba entusiasmado con lo que vendría después. En definitiva, fue el momento más emocionante de mi carrera. Creo que las mejores cualidades de la comunidad surgieron durante el descubrimiento. "
A finales de junio, Hard y sus colegas sintetizaron todo su trabajo en un solo análisis para ver lo que reveló. Y allí estaba de nuevo, ese mismo golpe, esta vez superando el umbral estadístico que la comunidad de física de partículas requiere generalmente para reclamar un descubrimiento.
"Pronto todos en el grupo comenzaron a correr a la oficina para ver el número por primera vez", dijo Hard. "El grupo de Wisconsin tomó un montón de fotos con la trama de descubrimiento".
Hard no tenía idea de si los científicos de la CMS estaban mirando lo mismo. En este punto, los experimentos mantenían secretos sus últimos resultados —a excepción de Incandela, Fabiola Gianotti (entonces portavoz de ATLAS) y un puñado de altos directivos del CERN, que se reunían regularmente para discutir su progreso y sus resultados.
"Le dije a la colaboración que lo más importante era que cada experimento funcionara de forma independiente y no se preocupara por lo que estaba viendo el otro experimento", dijo Incandela. "No le conté a nadie lo que sabía de ATLAS. No era relevante para las tareas que se estaban realizando ".
Sin embargo, los rumores circulaban alrededor de los grupos teóricos de física tanto en el CERN como en el extranjero. Mccullough, entonces un postdoc en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, estaba avidamente siguiendo el progreso de los dos experimentos .
"Tuvimos una actualización en diciembre de 2011 y luego otra unos meses más tarde en marzo, así que sabíamos que ambos experimentos estaban viendo algo", dijo. "Cuando este gran exceso apareció en julio de 2012, todos estábamos convencidos de que era el responsable de curar los males del Modelo Estándar, pero no necesariamente precisamente ese tipo predicho por el Modelo Estándar. Podría tener propiedades en su mayoría consistentes con el bosón de Higgs, pero aún así no son absolutamente idénticas ".
La semana antes de anunciar lo que habían encontrado, el grupo de análisis de Hard tenía reuniones diarias para discutir sus resultados. Dice que estaban emocionados pero también nerviosos y estresados: reclamaciones extraordinarias requieren una confianza extraordinaria.
"Una de nuestras reuniones duró más de 10 horas, sin incluir el descanso de la cena a mitad de camino", dijo Hard. "Recuerdo que me metí en un intercambio con un colega que me acusó de tener un fallo en mi código".
Después de que ambos grupos escudriñaron de forma independiente e intensa su bache de Higgs a través de una serie de controles, comprobaciones cruzadas y revisiones internas, Incandela y Gianotti decidieron que era hora de decirle al mundo.
"Algunas personas me preguntaron si estaba seguro de que deberíamos decir algo", dijo Incandela. "Recuerdo haber dicho que este tren ha salido de la estación. Esto es para lo que hemos estado trabajando, y necesitamos respaldar nuestros resultados ".
El 4 de julio de 2012, Incandela y Gianotti se presentaron ante una multitud expectante y, uno por uno, anunciaron que décadas de búsqueda y generaciones de experimentos habían culminado finalmente en el descubrimiento de una partícula "compatible con el bosón de Higgs".
Los periodistas científicos se regocijaron y se apresuraron a publicar sus historias. Pero, ¿era esta nueva partícula el tan esperado bosón de Higgs? ¿O no?
Los descubrimientos en la ciencia rara vez ocurren a la vez; Más bien, se construyen lentamente con el tiempo. E incluso cuando la evidencia señala de manera abrumadora una dirección clara, los científicos rara vez hablan con superlativos o hacen afirmaciones definitivas.
"Siempre existe el riesgo de pasar por alto los detalles", dijo Incandela, "y las grandes revoluciones en la ciencia a menudo nacen en los detalles".
Inmediatamente después del anuncio del 4 de julio, teóricos de todo el mundo emitieron una ráfaga de artículos teóricos que presentaban explicaciones alternativas y posibles pruebas para ver si este exceso era realmente el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar o algo similar.
"Muchos artículos teóricos exploraban ideas exóticas", dijo McCullough. "Todo es parte del ejercicio. Estos papeles actúan como un hombre de paja para que podamos ver lo bien que entendemos la partícula y qué pruebas adicionales deben ejecutarse ".
Durante los siguientes meses, los científicos continuaron examinando la partícula y sus propiedades. Cuantos más datos recopilaran y más exámenes corrieran, más el descubrimiento se parecía al tan esperado bosón de Higgs. En marzo, ambos experimentos tenían el doble de datos y el doble de pruebas.
"Entre nosotros, lo llamamos Higgs", dijo Incandela, "pero para el público, éramos más cuidadosos".
Sin embargo, era cada vez más difícil seguir calificando sus declaraciones al respecto. "Se estaba poniendo demasiado complicado", dijo Incandela. "No queríamos estar siempre en esta posición donde teníamos que hablar de esta partícula como si no supiéramos qué era".
El 14 de marzo de 2013, nueve meses y diez días después del anuncio original, el CERN publicó un comunicado de prensa que citaba a Incandela diciendo: "para mí, está claro que estamos tratando con un bosón de Higgs, aunque todavía tenemos un largo camino para Vaya a saber qué clase de bosón de Higgs es. "
Hasta el día de hoy, los científicos están abiertos a la posibilidad de que el Higgs que encontraron no es exactamente el Higgs que esperaban.
"Definitivamente estamos 100% seguros de que se trata de un bosón de Higgs de modelo estándar", dijo Incandela. "Pero esperamos que haya un agujero en esa armadura en alguna parte. El Higgs es un letrero, y esperamos una ligera discrepancia que nos guíe hacia la nueva física ".
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