Possible Decouverte au TEVATRON !!

[MavericK]

Au Fermilab, l'expérience CDF a-t-elle repéré de la matière noire ?


Par Laurent Sacco, Futura-Sciences



La blogosphère de la physique des hautes énergies est en ébullition depuis plus d’une semaine. La raison ? La publication par la collaboration CDF du Fermilab d’un surplus anormal de muons dans les collisions protons-antiprotons du Tevatron. Aucune explication ne semble crédible dans le cadre du modèle standard. Certains y voient la confirmation de certaines théories concernant la matière noire.
Le Tevatron a peut-être grillé le LHC dans la course à la mise en évidence de la matière noire, c’est en tout cas une possibilité assez sérieuse qui agite en ce moment le monde de la physique des particules élémentaires. Malgré tout, prudence et scepticisme restent à ce stade la meilleure attitude.
Rappelons que le Tevatron est le concurrent direct du LHC dans la course à la découverte du boson de Higgs et même dans l'exploration d'une physique au-delà du modèle standard, qui, notamment, fait apparaître des particules supersymétriques ou encore des gravitons massifs de Kaluza-Klein, preuves de l’existence de dimensions spatiales supplémentaires. Contrairement au LHC cependant, les faisceaux de particules qu’il fait collisionner dans ses détecteurs, CDF et D0, sont constitués de protons et d’anti-protons.
Or, en étudiant les produits des réactions dans CDF, les chercheurs ont constaté un flux anormalement élevé de muons qui semble provenir de la désintégration de particules n’entrant dans aucune des prédictions du modèle standard ! Il ne semble pas possible de le faire dériver de la production de paires de quarks B par exemple.
Faut-il y voir la signature d'une particule inconnue ?
Le plus surprenant est que si l’on introduit une nouvelle particule capable de se désintégrer en donnant des muons présentant les caractéristiques observées, on tombe sur l’existence d’un boson scalaire dont la masse est de l’ordre du GeV. Les chercheurs du Fermilab ne parlent cependant pas encore de la découverte d’une nouvelle particule. Une fraction non négligeable des physiciens impliqués dans les mesures de CDF ont même refusé de signer l’article. Bien que plusieurs dizaines de milliers de ces muons anormaux aient été détectés, ce qui exclut une fluctuation statistique, certains font remarquer que bien des choses ne sont pas encore comprises dans les réactions entre quarks décrites par la QCD. On pourrait donc avoir des surprises, même dans la manière dont le détecteur est calibré pour détecter certaines de ces réactions.
Toutefois, trois semaines avant la publication sur Arxiv de l'article faisant état de cette anomalie, un groupe de théoriciens avait proposé un modèle de particules de matière noire faisant intervenir une particule très semblable à celle que CDF a peut-être détectée. Parmi eux figure Nima Arkani-Hamed de l’Institut des études avancées de Princeton, célèbre pour être l’un des auteurs des théories à basse masse de Planck permettant d’espérer la production de mini trous noirs au LHC.
Des débats très vifs
La coïncidence est tellement frappante que plusieurs chercheurs, dont Tommaso Dorigo, ont soupçonné que le groupe avaient eu vent quelques mois auparavant de la découverte de l’anomalie des muons, alors toujours en cours de vérification par les chercheurs du Fermilab.
Devant de telles « accusations », Nima Arkani-Hamed est intervenu en personne sur le blog de Tommaso Dorigo en affirmant d'abord que lui est ses collègues s’étaient basés sur une autre anomalie, celle du flux anormalement élevé de positrons dans les rayons cosmiques, confirmée récemment par les observations de Pamela. C'est pour l’expliquer, affirme-t-il, qu'ils ont introduit un modèle supersymétrique de matière noire comportant un boson scalaire de un GeV capable de se désintégrer en donnant des muons. Surtout, souligne-t-il, le taux de production observé avec CDF est beaucoup plus élevé que ne l’indique en l’état leur théorie. Le physicien veut ainsi rendre bien clair que ni lui ni aucun de ses collègues n’étaient au courant des observations de la collaboration CDF.
Pour être sûr que l’anomalie de CDF soit bien réelle et pointe vers de la physique au-delà du modèle standard, il faudrait que d’autres expériences la retrouve, comme par exemple avec le détecteur D0 du Tevatron. En attendant, les tentatives théoriques pour expliquer l’anomalie des muons se multiplient et un article fait même intervenir la théorie des cordes.
Les physiciens sont au travail et gageons que dans le cours de l’année prochaine on devrait savoir à quoi s’en tenir...

[charaf]

Doit y en avoir des déçus dans l'équipe du LHC
Je comprends pas tout le sujet mais bon je trouve ça quand même super intéressant merci Maverick

[absent]

dommage que le LHC est tombé en panne

[MavericK]

enjoy !

Voici la reponse (tres interessante) de Nima.

Hi, As most of my friends and colleagues know, I have a very dim view of
the physics blogosphere, and avoid interacting with it. However, your
statements about me and my collaborators in connection with the recent CDF anomaly quite clearly crossed a line, and I feel compelled to respond. In doing so I am adopting an attitude Howard Georgi once described when dealing with non-perturbative QCD effects in heavy quark effective theory: once I am finished dealing with the brown muck, I will wash my hands.
It was stimulating to see the CDF paper. However, this is an extremely challenging analysis, and many further cross-checks will have to be done to take it as a serious indication for physics beyond the standard model. We are all well aware that particle physics anomalies have come and gone in the past two decades, in analyses that are less complicated than this one; of course the collaboration made no claim to have discovered new physics. Keeping this in mind, let me first make comments on some physics I have been involved with, and end with some comments on sociology.
I have been working recently with Doug Finkbeiner,Tracy Slatyer and Neal Weiner on a theory for dark matter motivated by a growing number of anomalies in astrophysics, most recently PAMELA/ATIC.
This work is a direct continuation of (in my view) beautiful earlier work pioneered by Neal, Doug and Dave Tucker-Smith, who have collectively pushed it for many years. In fact, Neal, Doug and others previously talked about GeV scalars decaying to leptons in the context of “exciting” dark matter, to explain the INTEGRAL signal, as well as the HEAT excess predecessor to PAMELA. So the idea of GeVish mass particles decaying to leptons, motivated by Dark Matter anomalies, goes back to Feb 2007–Feb 2008. See e.g. astro-ph/0702587 and especially arXiv:0802.2922.
What we did in our four author paper was to show that all these strands fit together into a simple unified picture that also makes very good particle physics sense. The idea can be summarized in one sentence: Dark Matter is charged under a non-Abelian gauge symmetry broken at the GeV scale. We pointed out two additional major motivations for the GeV scale–first, the new vectors with this mass naturally “Sommerfeld enhance” the annihilation cross section as appears necessary to explain the PAMELA/ATIC signals from DM
annihilation; second, the broken gauge symmetry at the GeV scale radiatively induces splittings between the different states in the DM multiplet at the \sim MeV scale, which is precisely what is needed in “exciting” and “inelastic” DM explanations of the INTEGRAL and DAMA signals. All of these phenomena, scattered over energy scales ranging from a TeV to an MeV, are essentially a consequence of the single sentence I used to describe our picture above. We find this compelling.
Since the GeV gauge sector is non-Abelian, there are a number of
states, minimally including vectors and higgses, all GeVish in mass.
One thing that happens when at least some of these GeV particles are vectors is that they can easily talk to the Standard Model, via kinetic mixing with the photon. The mixing is naturally small, so directly producing this particle is challenging–though people have
talked about doing it at low-energy e+ e- machines (B-factories,
DAPHNE, BESS). Neal and I considered the simplest marriage of our DM picture with low-energy SUSY, which further naturally generates the GeV dark gauge symmetry breaking scale. We also
pointed out that in this set-up, one could produce particles in this new GeV sector much more copiously, not directly, but indirectly through SUSY production: every SUSY event will end with MSSM LSP’s which then decay into the true LSP in the dark sector; essentially all of these will also be accompanied by some of the GeVish particles that re-decay back into SM leptons. One would expect a cascade of decays in the GeV sector given the multiplicity of states, and thus the aptly named “lepton jets”. We discussed displaced vertices as a possibility, though they are not guaranteed. So, seeing “lepton jets” as an O(1) fraction of SUSY signals is what we talked about as the smoking gun of our model at the LHC. It would indeed be an amazing signal, which is why we were and continue to be very excited about it!
Now, even if the CDF anomalies are an indication of new physics–which I think in all of our views is _very_ far from obvious– it can not be due to the signal Neal and I talked about, arising from SUSY cascade decays. The rate of the CDF anomaly is absolutely
enormous–you are talking about 70,000 “ghost” events! If there is a connection to our model at all, it would likely have to be through direct production of the GeV sector particles, that still cascade decay in the dark sector and produce the lepton jets. As I mentioned there are limits one can put on this from e+ e- data, and a number of us had been wondering what could be done at hadron colliders, but at least my instinct was that the rates wouldn’t be high enough and it would be far too messy and difficult to extract a signal. We were planning on thinking about this in more detail soon, but the exploration of the consequences of our model is very new, and for now most of us have been focusing on getting out the important predictions on the DM side for GLAST/Fermi, as well as fleshing out the big O(1) LHC predictions. Obviously, stimulated by the CDF result, studying the question of direct production at the Tevatron is much higher on our list of priorities, and we are looking at it now to see if it can even be in the right ballpark. But to re-iterate: even if the CDF anomaly is new physics, and even if it is connected to our model, (and needless to say these are two very big “ifs”), it would be a wonderful surprise to me since I had expected probing direct production of the GeV sector to be incredibly difficult at a hadron collider.
So much for the physics. Turning to the sociology: you publicly suggested that we had gotten wind of the CDF experimental result ahead of time, and casually wrote this paper pointing out the signal before the experimental result was published. Your only evidence is that we made a surprising prediction of a signal experimentalists hadn’t thought of before and put it out before the experimental
results were made public–Gasp! Shocking! Scandalous! Never happened in the history of physics! Not contained in the definition of the word “pre”diction! This was a hilariously preposterous accusation;
however it stopped being funny when you went further and all but
called Neal a liar when he stated unequivocally that we had no advance knowledge of the CDF result–this is outrageous. As Neal said, we had no knowledge about the experimental result ahead of time _at all_. We didn’t even talk about the Tevatron in our paper! And as I said above, even if this anomaly is real and even if it is related to our model, it can not be literally the signal we talked about. Also, the thought that we could somehow cook up a model motivated by explaining dark matter anomalies as a cover to explain rumored events at CDF is absurd–ask any theorist friends you may have whether this is feasible and you will get a good chuckle out of them. You think this signal “came out of the blue”, but if you have been following any of the developments in BSM collider physics in the past couple of years you will realize that signals involving high particle multiplicities with displaced vertices have been discussed for quite a while–check out the repeated use of the phrase “hidden valley” in my paper with Neal for references to work by Strassler, Zurek et. al. Our contribution is that a rather specific version of such a picture–with the GeV mass scale and coupling to the SM through kinetic mixing with the photon–is naturally singled out by the new picture of dark matter we put forward with Doug and Tracy, giving a potentially exciting connection between what we are now seeing in the sky and what we might see at colliders. As it happens this type of hidden valley model had not been discussed in the literature, so we happily pointed out some of their possibly dramatic LHC consequences. Perhaps if you had bothered to even superficially read our papers and think about the physics, it wouldn’t seem so “out of the blue” to you, and you would understand that these light GeV particles decaying to leptons are a necessary feature of our model of Dark Matter, whether CDF saw any hints for them or not.
I find your cynicism remarkable. We are entering what promises to be a golden era of amazing experiments in high-energy physics, astrophysics and cosmology, which may very well lead to profound advances in our understanding of Nature at a fundamental level. All of us–experimentalists and theorists alike–are fantastically excited about this and are doing everything we can to give it the best chance of happening. And at least most of us don’t think of physics as a soap opera rife with rumor and innuendo, or spend the precious time we have cynically tossing around completely baseless and deeply offensive accusations.
Speaking of precious time, I’m sure you’ll agree that there is more critical physics to do than there are hours in the day to do it,
and I for one would like to get back to work.
Nima Arkani-Hamed

[Hope_WIMP]

Merci Marvik pour cette nouvelle,
ce n'est pas etonnant pour moi, jai pas pu voir le lien en haut, le signal est a combien de sigma? je vais voir sur arxiv larticle.
On attendant que D0 confirme ce que CDF a trouver, je dois dire que: l'espoir fait vivre.
Comme il l'a mentione le therocien who seems not to be happy, il faut d'abord comprendre la calibration du detecteur. D0 et CDF nous ont habituer pour les signaux rares de publier un apres l'autre leur decouverte, des fois a un jour pres. Mais cette fois rien de la part de D0!!?

[absent]

Bonsoir les amis,

Pouvez-vous nous expliquer de manière simple en quoi ça consiste et les enjeux qui s'y jouent ?

Merci d'avance

[darwish]

Salaam,

Si votre expérience indique quelque chose de louche, voire aux antipodes des prédictions des théories admises, alors ça doit sentir le brulé et il y a de fortes chances que l'expérience est foireuse, d'ailleurs tout bon expérimentateur est sensé savoir cela. Dans le cas de figure qui nous interesse, les protagonistes se montrent désormais plus prudents et cherchent à travailler un peu plus leurs données au lieu de tenter des adjustements "forcés" avec des théories particulières. Autrement, si les gars du Tevatron se sentent vraiment confiants, ils n'ont qu'à soumettre un PRL et faire des reservations pour Stockholm. Il y a un adage qui circule dans les couloirs et qui dit:

If you torture enough the data, it will confess!

Finalement, je me permets un petit troll. La phrase qui a retenu le plus mon attention dans tout ce quia été dit est la suivante:

Speaking of precious time, I’m sure you’ll agree that there is more ritical physics to do than there are hours in the day to do it, and I for one would like to get back to work.

and that makes a BIG difference with the practice of science in our country.

[MavericK]

Salut Ulyss,

Le Modele Standard (MS) de la physique des particules est un modele qui decrit tout ce que l'on connait des proprietes des particules elementaires et de leurs interactions mutuelles.
Cependant ce modele souffre de 3 problemes majeurs qui sont (classe par ordre de gravite) :

• La decouverte de la masse des neutrinos, alors que dans le MS elle doit etre nulle.
• La non-observation du Boson de Higgs; particule responsable des masses des particules.
• Aucune particule du MS ne peut etre la particule de Matiere Noire.

La matiere noire quant a elle est une nouvelle forme de matiere necessaire pour expliquer de nombreuses observations astronomiques, astrophyiques, cosmologique et meme (eventuellement) pour toute extension du MS.

Le hic, c'est qu'aucune experience de labo n'a vu cette (ou ces) particule(s) de matiere noire.
La possible decouverte du Tevatron (un collisionneur de particules) reside dans le fait que ca pourrait etre la premiere indication (de labo) de l'existance de nouvelles particules !
Resultats a prendre avec precaution.. puisque D0 (salut Hope_Wimp !), l'experience d'en face, n'a pas encore confirme les mesures de CDF.

[MavericK]

Salaam Darwish,

La collaboration CDF n'a rien specule sur l'eventuelle decouverte, ils se contentent de montrer '''les faits'' pour le moment, comme tout bon experimentateur.

Du pre-print:

“This article presents the study of events, acquired with a dedicated dimuon trigger, that we are currently unable to fully explain with our understanding of the CDF II detector, trigger, and event reconstruction. We are continuing detailed studies with a longer timescale for completion, but we present here our current findings.“

[darwish]

Salut Maverick,

Il semblerait que 2/3 du collectif CDF ont soumis un PRD dont le titre est:

Phenomenological interpretation of the multi-muon events reported by the CDF collaboration

Ce qui est loin d'être juste une "présentation des faits". En tout cas, la blogosphere des physiciens a connu dernièrement un foisonnement semblable à celui provoqué par Garrett Lisi "The Surfer Dude" et son fameux An Exceptionally Simple Theory of Everything, il y a tout juste un an. L'avenir nous dira plus.

[absent]

Salut Ulyss,

Le Modele Standard (MS) de la physique des particules est un modele qui decrit tout ce que l'on connait des proprietes des particules elementaires et de leurs interactions mutuelles.
Cependant ce modele souffre de 3 problemes majeurs qui sont (classe par ordre de gravite) :
La decouverte de la masse des neutrinos, alors que dans le MS elle doit etre nulle.
La non-observation du Boson de Higgs; particule responsable des masses des particules.
Aucune particule du MS ne peut etre la particule de Matiere Noire.
La matiere noire quant a elle est une nouvelle forme de matiere necessaire pour expliquer de nombreuses observations astronomiques, astrophyiques, cosmologique et meme (eventuellement) pour toute extension du MS.

Le hic, c'est qu'aucune experience de labo n'a vu cette (ou ces) particule(s) de matiere noire.
La possible decouverte du Tevatron (un collisionneur de particules) reside dans le fait que ca pourrait etre la premiere indication (de labo) de l'existance de nouvelles particules !
Resultats a prendre avec precaution.. puisque D0 (salut Hope_Wimp !), l'experience d'en face, n'a pas encore confirme les mesures de CDF.

Merci beaucoup pour l'explication.

Amicalement
__________________

[MavericK]

Il semblerait que 2/3 du collectif CDF ont soumis un PRD dont le titre est:

Phenomenological interpretation of the multi-muon events reported by the CDF collaboration

Il y'a eu un petit probleme interne a la collaboration en ce qui concerne les modalites de publication (et non le contenu, d'apres ce que j'ai lu).. d'ou l'absence de 33% des membres dans le papier :
Study of multi-muon events produced in pp collisions at √s = 1.96 TeV.

Par contre le papier qui donne une interpretation a ete signe par seulement 7 physiciens qui sont aussi membres de la collaboration CDF, mais pas au nom de cette derniere.

Let's wait for D0's results ...

[Hope_WIMP]

Salut les amis,
j'ai lu labstract de l'artcile sur l'arxiv, ils ont 95% confidence level sur la limite supperieur de section efficace de la production de la resonance qui se desintegre en deux muons (muons et anti-muons) (No significant excess above the standard model expectation). Meme a ce stade 2/3 seulement etaient d'accord pour la pulication, je pense que D0 n'ont pas observer ce que la collaboration CDFII a trouver. Je pense c'est a cause de l'LHC , les americains veulent montrer qu'ils ont trouver tout avant meme que l'LHC demare, c'est un peu de la politique, pour avoir plus d'argent et ne pas arreter tevatron. L'annee passe le Budget de la physique nucleaire et particules a diminuer considerablement. Ils n'avaient meme pas suffisament d'argent pour payer les chercheurs. Je me souvien quel'annee passe ils ont envoyer tous le personnel en conges non-payes.