Domani siete tutti invitati, offre il CERN! Piatto del giorno...il bosone di Higgs!

Mancano ormai meno di 24 ore all'attesissimo aggiornamento sullo stato della ricerca del bosone di Higgs da parte degli esperimenti ATLAS e CMS, situati presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.

L'annuncio del seminario (il webcast per il pubblico sarà disponibile qui), avvenuto la settimana scorsa da parte del direttore generale del CERN, Rolf Heuer, e anticipato dai soliti “rumors” che accompagnano ormai immancabilmente gli annunci scientifici più importanti (si veda il caso dei neutrini superluminali), ha suscitato un interesse mediatico notevole, con siti e giornali che hanno fatto e fanno tuttora a gara per dare la notizia che il bosone di Higgs sia ormai stato trovato, affermando di avere come fonti scienziati interni alla collaborazione, che vogliono però sempre rimanere anonime.

Ma parliamo ora un pochino del protagonista di tutti questi rumors.
Il bosone di Higgs rappresenta da circa mezzo secolo il tassello mancante del Modello Standard. Predetto nel 1964 da Peter Higgs (ad onor di cronaca, andrebbero citati anche François Englert, Carl Hagen e Gerald Guralnik) è, ai giorni nostri, l'unica particella prevista del Modello Standard a non essere stata ancora osservata sperimentalmente, pur rappresentandone uno degli ingredienti fondamentali, dal momento che dalla sua scoperta dipende fortemente la coerenza dell'intero modello. Infatti il bosone di Higgs è il risultato di un “trucco matematico” che permette di unificare la forza elettromagnetica con quella debole in una singola interazione, denominata (con mancanza di fantasia) elettrodebole. Tale particella inoltre sarebbe la responsabile della massa delle altre particelle elementari, che deriverebbe dall'interazione di queste ultime con un campo quantistico che permea tutto l'universo, il campo di Higgs per l'appunto, di cui il bosone costituisce il vettore. Mi riservo un post più lungo su questo argomento se la scoperta del bosone di Higgs venisse annunciata, cioè nel caso in cui il segnale raggiunga una significanza di 5 sigma, che corrisponde a dire che vi è solamente lo 0.00006% di probabilità che il segnale sia una fluttuazione statistica!!

Ma se anche domani dovesse arrivare una conferma che i dati di entrambi gli esperimenti, ATLAS e CMS, contengono un eccesso significativo intorno a 125 GeV (gigaelettronvolt), che è lo stesso valore suggerito dai dati dello scorso anno, sicuramente bisognerebbe poi attendere nuovi dati per confermare se tale eccesso si comporta come noi ci attendiamo che il bosone di Higgs si comporti nel Modello Standard. Ad esempio, se il rate di produzione risultasse diverso da quello predetto, questo potrebbe implicare l'esistenza di nuove particelle esotiche non predette dal Modello Standard stesso.

Ma prima di fantasticare troppo, è meglio attendere la conferenza di domani, dal momento che cosa esattamente decideranno di mostrare, onestamente, pochi lo sanno. Sicuramente posso immaginare che questi ultimi giorni siano stati abbastanza frenetici per i ricercatori di ATLAS e CMS che hanno affrontato la gargantuesca impresa di analizzare dati raccolti fino ad appena pochi giorni fa (il 18 Giugno per l'esattezza) per poter aumentare la statistica a disposizione.

Se volete un po' stuzzicarvi l'appetito prima della portata principale, potete guardare ai risultati trasmessi ieri dagli scienziati che hanno analizzato i dati degli esperimenti CDF e D0, situati presso il Tevatron del Fermilab. Il collider del Tevatron, il più grande acceleratore prima dell'avvento di LHC, è stato spento lo scorso settembre, quindi il quantitativo di dati non è aumentato dall'ultimo update pubblico fatto alla Conferenza di Moriond in Marzo.

Durante il seminario di ieri sono stati però riportati i risultati, rivisitati e migliorati, di dieci anni di ricerche, riassunti in questo preprint postato sul sito di arXiv e consultabili anche qui.

Ciò che c'è di nuovo rispetto all'update di Marzo è che l'eccesso che era stato osservato allora dalla collaborazione CDF, guardando il canale in cui l'Higgs decade in una coppia b-bbar, è stato ora confermato anche dalla collaborazione D0, rendendo il risultato più credibile (eccesso visibile nella figura sottostante). 

Il Modello Standard non predice la massa del bosone di Higgs, ma ne predice la sezione d'urto di produzione una volta che la massa è nota. Tale tipo di plot viene usato per evidenziare indizi del bosone di Higgs, ma anche per escludere regioni in cui è difficile che il bosone di Higgs possa essere trovato. L'asse verticale mostra, in funzione della massa dell'Higgs sull'asse orizzontale, la sezione d'urto di produzione dell'Higgs esclusa sperimentalmente, divisa dalla sezione d'urto di produzione dell'Higgs attesa nel Modello Standard a una data massa. Questo è indicato dalla linea solida nera.La linea tratteggiata nera mostra il limite medio atteso in assenza di Higgs. Le regioni verdi e gialle indicano rispettivamente il 68% e il 95% di livello di confidenza di questo risultato. Se la linea nera si trova sotto il valore 1.0, indicato dalla linea nera orizzontale, allora dai dati si capisce che il bosone di Higgs non è prodotto con la sezione d'urto attesa per quella massa. Questo significa che tali valori della massa del bosone di Higgs sono esclusi con il 95% di livello di confidenza. Se invece la linea nera solida supera 1.0 e anche la linea tratteggiata nera (quello che viene chiamato un eccesso), allora c'è qualche suggerimento che l'Higgs esiste con una massa a tale valore.

In tutto, questi due esperimenti vedono una significanza locale di 2.9 sigma (ricordate che per acclamare la scoperta abbiamo bisogno di 5 sigma), ovvero c'è una probabilità su 550 che questo risultato sia dovuto a fluttuazioni statistiche, per una massa dell'Higgs intorno a 120 GeV (più precisamente non possono escludere la regione di massa compresa tra 115 e 135 GeV). Tale massa è  però a sua volta 2.7 sigma lontano dal valore della massa dell'Higgs suggerito dalle collaborazioni CDF e ATLAS lo scorso Dicembre, che (forse?!) verrà riconfermato domani.

Quindi, come afferma Rob Roser, uno dei relatori del Fermilab: “Serviranno i risultati dagli esperimenti al Large Hadron Collider, in Europa, per proclamare la scoperta". Attendiamo quindi la conferenza di domani, per vedere se anche gli esperimenti del CERN confermano l'eccesso visto dal Tevatron (in realtà per raggiungere la stessa statistica nello stesso canale usato da loro bisognerà attendere la fine dell'anno), per chiarire se tale eccesso è reale o meno.

Concludo con una frase di Martinus Veltman, professore emorito di Fisica all'Università del Michigan in Ann Arbor, che ha condiviso il Premio Nobel in Fisica nel 1999 con il suo dottorando Gerardus 't Hooft per il suo lavoro sul Modello Standard:

“Fine, there is something there – a resonance! Now we have to find out if it has all the properties that the Higgs is supposed to have.”