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23 luglio 2011

Si faccia avanti Mr Higgs

Il bump di CDF
Vi ricordate l'ultima volta che abbiamo parlato del bosone di Higgs? Era l'8 aprile e in un articolo intitolato E io che speravo fosse il bosone di Higgs vi raccontavo di come un gruppo di ricercatori dell'esperimento CDF negli Stati Uniti aveva individuato una "bump" nei dati sperimentali e tutti si sono precipitati a vedere se era o no il bosone di Higgs. Subito era apparso che non poteva essere il tanto cercato Higgs, ma poteva essere un segnale di nuova fisica. Purtroppo qualche settimana più tardi i colleghi di D0 (PDF), l'esperimento rivale di CDF che prende dati sulla stessa macchina acceleratrice, ha analizzato gli stessi dati non trovando nessun bumb. 

Ma questa volta potrebbe essere diverso. Ieri, durante il meeting della European Physical Society  (EPS-HEP) che è in corso a Grenoble in Francia, i 750 partecipanti erano tutti intenti ad ascoltare gli ultimi risultati dei gruppi di ricercatori dedicati alla scoperta del bosone di Higgs. Questa volta il protagonista è europeo, non tanto perché il meeting era in Europa, ma perché i due grossi esperimenti di LHC, Atlas e CMS, cominciano ad avere una quantità di dati sufficiente per poter dire qualche cosa. Forse non ancora abbastanza per dire come il bosone di Higgs sia fatto (in modo particolare la sua massa), ma almeno per dire come non è fatto. Ne avevamo già parlato, ma vale la pena ripeterlo: tra i vari esperimenti c'è una forte rivalità, solo il nome del primo verrà ricordato come scopritore, il secondo servirà solo per conferma. Così gli appartenenti all'esperimento Atlas si guardano bene dal confidare ai "nemici" di CMS i propri risultati. Questo fatto, ha reso il pomeriggio di venerdì ancora più surreale.

Tratto da CRANMER, Kyle (New York University)
Durante la sessione dedicata all'Higgs, prima vengono presentati alcuni lavori su singoli canali di decadimento, ovvero modi particolari in cui il bosone si mette in evidenza, e poi alla fine si passa ai lavori combinati, dove ogni esperimento mette insieme tutto le informazioni a disposizione e presenta un quadro generale.  I primi a presentare i dati combinati sono stati quelli di Atlas (qui trovate la presentazione), non c'è nulla di particolarmente eclatante, fino a quando si arriva alla diapositiva dove si mostra uno specifico canale di decadimento (H -> WW ->lvlv), quando un bosone di Higgs decade in una coppia di bosoni W e a loro volta in 2 leptoni carichi e 2 neutrini. Il grafico che ha attirato l'attenzione è quello che vi riporto qui sopra. Vedete che la linea nera, che nella parte destra del grafico ricalca piuttosto bene quella tratteggiata ed è sempre all'interno della zona verde, nella parte sinistra è addirittura fuori dalla banda gialla. Questo è l'equivalente del "bump" nei dati di cui avevamo già parlato l'altra volta, c'è qualcosa lì sotto che ha spostato la riga nera da quella tratteggiata. Visto che si trova proprio ai limiti della zona gialla, i fisici di Atlas non erano particolarmente eccitati, poteva essere una semplice fluttuazione, oppure una cattiva interpretazione del fondo, un errore nella simulazione.

Tratto da KORYTOV, Andrey
Ma la faccia degli scienziati di CMS raccontava tutta un'altra storia. Il loro intervento arrivava subito dopo quello di Atlas (presentazione) e indovinate un po'? Esattamente nello stesso canale di decadimento anche loro misurano un lieve eccesso in un intervallo di masse compatibile. Nel grafico qui a fianco vedete infatti che la linea nera esce ancora dalla banda gialla.

Nessuno dei due esperimenti, singolarmente, era pronto a gridare alla scoperta, ma è chiaro che due esperimenti differenti, con sistematiche e background completamente diversi, che arrivano in modo indipendente alla stessa conclusione rafforza di molto la forza delle singole affermazioni.

La conclusione è che un altro passo in avanti è stato fatto nella caccia all'Higgs e nella sua compresione, e mentre gli scienziati stanno analizzando altri dati già registrati, per la prossima conferenza in agosto vedremo quasi sicuramente un grafico con i dati combinati di entrambi i rivali.

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13 commenti:

  1. efraim nickname23 luglio 2011 16:45

    Bella questa coincidenza, alla faccia di tutti i capireparto che voglion metterci il proprio nome... tanto gli han già dato quello di Higgs ;)

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  2. Insomma si potrebbe trovare fra i 200 e i 3-400 GeV...
    Peccato, preferivo riscrivere il modello standard :-)

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  3. Anche più in basso, l'eccesso va da 130 a 160. Pero' dobbiamo vedere più statistica e tutti gli altri canali per capire se e' proprio lui.

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  4. Beh, tornerebbe un po' con qualche piccolo segnale già registrato su LEP (credo dall'esperimento Aleph): prima che lo spegnessero, si erano visti alcuni "bump" che potevano far sospettare un Higgs a poco più di 100GeV. La poca statistica, però, non aveva permesso di tirare grandi conclusioni.

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  5. Hai perfettamente ragione, assolutamente 130-160!

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  6. Ma l'expected su che cosa si basa? Sono Montecarlo basati sul modello standard piu' Higgs,no? E quindi l'excess che si vede che mi sta a significare?
    E altra domanda: quel range di massa non e' gia' stato escluso? (ovvio che no altrimenti quelli di Atlas e CMS ci pensavano un paio di volte prima, solo che non mi ricordo esattamente i numeri e sono pigro per riandare a spulciare arXiv)

    RispondiElimina
  7. la linea tratteggiata rappresenta in un certo senso la sensibilità dello strumento ed è il risultato di simulazione di background, ovvero puro modello standard senza Higgs (nessuna tipologia di Higgs, né il quello del modello standard, né nessun'altra variante più esotica). il background è sia fisico, nel senso che hai tutto il combinatorio dovuto al modello standard, sia sperimentale, nel senso che dipende dallo strumento e dalla tua conoscenza del rivelatore. Se vuoi quest'ultimo contributo tende a cancellarsi guardando i grafici di ATLAS e CMS perché i rivelatori sono differenti, ma resta uguale (per fortuna!) il background fisico.

    quindi la domanda cosa significa l'eccesso è correttissima. significa che ho più eventi rispetto al background conosciuto in questo particolare canale. significa che è il bosone di Higgs? non necessariamente, potrebbe essere ancora più semplicemente una cattiva conoscenza o comprensione del background in quel range di masse. Non dimentichiamoci che per essere Higgs, oltre all'eccesso di eventi, questi devono avere un preciso rapporto nei vari canali, altrimenti si è scoperta un'altra particella ma che non è il tanto atteso bosone.

    per quanto riguarda il range di esclusione, anche quella informazione è contenuta nel grafico. Infatti quando la linea nera scende al di sotto della linea orizzontale corrispondente ad 1 si può escludere la produzione di Higgs con un livello di confidenza del 95%. Quindi possiamo dire che ATLAS esclude l'Higgs da 160 a 195 GeV/c2 con il piccolo eccesso che si trova proprio a sinistra di questo range. Credo di ricordare che i dati dal Fermilab non escludessero questo intervallo e tanto nemmeno quelli precedenti di LEP. Però è solo un ricordo di tempi lontani, quindi se ti capita sottomano qualcosa di più fresco, faccelo sapere.

    ps. ho guardato il tuo profilo e allora ho capito chi sei e per questo ho riposto usando qualche termine un po' più corposo. bentornato!

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  8. Grazie per i dettagli e per il bentornato.

    Ok ATLAS e CMS quindi stanno in questo caso misurando solo le coppie ll, e l'eventuale missing energy dei neutrini. Scusa la ripetizione di questa banalita', ma era per fissarmi le idee. Ok, quindi con il bg ci sono.
    Giusto per curiosita' di quanti eventi stiamo parlando?

    Interessante che gli eccessi siano piu' o meno alla stessa energia, un po piu' critico mi pare il fatto che le zone di esclusione al 95% siano diverse, o no? dipende dallo strumento?
    In particolare per CMS l'eccesso sta proprio nella zona di esclusione, commenti su questo durante la conf? O da buon teorico non ho capito niente?

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  9. direi che hai capito tutto, invece!

    entrambi gli esperimenti stanno misurando in più canali di decadimento, per il momento l'eccesso è stato trovato solo in questo canale (apro una parentesi, missing E è molto facile da ottenere se non si conosce a fondo il rivelatore :).

    non saprei dirti quanti eventi. La luminosità integrata è di circa 1 fb-inverso e leggevo sulla slide di atlas che la significatività dell'eccesso è 2.8 sigma.

    le zone di esclusione dipendono dallo strumento, se hai uno strumento che in quella regione è cieco non puoi dire che non c'è nulla.

    ps. purtroppo io non sono alla conferenza, ma sto seguendo l'evento attraverso partecipanti diretti che sono parecchio eccitati e, devo ammetterlo, lo sarei anch'io.

    RispondiElimina
  10. ma se sei sotto l'1 stai escludendo al 95% che ci sia l'Higgs, quindi direi che lo strumento ci vede benissimo...
    A occhio il grafico di CMS e' piu' interessante di quello di ATLAS perche' ci dice che pur essendoci un eccesso stai nella zona di esclusione dell'Higgs...

    RispondiElimina
  11. mi sono espresso male, volevo dire che è normale che due strumenti diversi possano avere regioni di esclusioni differenti, specie con questa poca statistica.

    l'eccesso c'è anche nel grafico CMS, è meno marcato perché la scala orizzontale è molto compressa, e si trova giusto alla sinistra della zona sotto 1.

    ps. anche se ho cambiato parrocchia (adesso le mie energie sono molto più basse), la mia religione mi impedisce di dire che un grafico di cms sia migliore di uno di atlas :))))

    RispondiElimina
  12. vabbe, insomma, c'e' ancora parecchia sistematica di cui fare il cross check. Comunque stiamo a vedere.

    Si vedo che l'eccesso c'e' anche in CMS, pero' (vedi Tevatron)
    aspettiamo quando abbiamo un fattore almeno 4,5 di dati in piu'. Tra un
    po LHC entra in una lunga fase di misure, verso la fine dell'anno, o mi
    ricordo male?



    In prospettiva nuova fisica il grafico CMS e' piu' interessante di sicuro.



    P.S. com'e' che non posso rispondere al tuo ultimo messaggio? Limite nei nested comments?

    RispondiElimina
  13. @656e64b266314a873fc02bc386064617:disqus ti rispondo qui, perché ho impostato il sistema in modo da non permettere troppi nested comments, altrimenti si va a finire con commenti la cui larghezza è solo di qualche riga.

    Su Quantum Diaries che ho appena letto trovi un bel summary dei risultati presentati a EPS http://www.quantumdiaries.org/2011/07/27/eps-close-but-far/

    E come dicevamo, i risultati di Tevatron e LHC escludono un Higgs con masse da 155 a 180 GeV/c2 circa e LHC esclude anche alcuni range ad energia più alta. In più ci sono i dati in eccesso a bassa massa.

    Dai miei ricordi di università sui primi TDR di Atlas, mi sembra di ricordare che un Higgs a 130 fosse un'impresa piuttosto complicata per come era costruito l'esperimento. Però magari le cose sono evolute diversamente. Certo è che se veramente si scoprisse che il bosone è lì, quelli di Aleph e tutti gli altri esperimenti LEP avrebbero il loro bel recriminare...

    LHC è già entrato nella fase di presa dati che durerà un anno, lo so perché vedo lo stato di molti miei amici in chat che riporta "on shift" anche nelle ore più assurde della giornata. In più avendo aumentato il numero di bunches nell'anello la luminosità è aumentata e la statistica di conseguenza. I risultati presentati avevano 1 fb-1, la luminosità integrata ad oggi è 1.6, di cui 0.4 già pronti da analizzare.

    RispondiElimina

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