L'Higgs: quando arriva arriva

Annunciata scoperta bosone di Higgs, leggi approfondimento

Si è appena conclusa la presentazione degli ultimissimi risultati della ricerca del bosone di Higgs al CERN. Auditorium pieno zeppo come le altre sale conferenze dedicate con spettatori che si sono accaparrati i posti fin da questa mattina. La qualità del webcast non è stata eccellente, forse a causa dell'elevatissimo numero di connessioni.

Il video dell'evento è disponibile a questo indirizzo anche per il download, mentre le due presentazioni possono essere visionate a questi link: ATLAS e CMS.

Il nostro tentativo di live-blogging su Twitter e (solo parzialmente) su Facebook non è andato malissimo, ma non spetta a noi giudicare, piuttosto ai lettori che ci hanno seguito.

Ma tralasciamo i discorsi futili per buttarci tra le cose interessanti e capire se e quali passi in avanti ci sono stati verso la scoperta del bosone di Higgs o la sua inesistenza che di fatto sarebbe una scoperta altrettanto grande. Per farlo leggiamo insieme commentando il comunicato stampa che il direttore del CERN, Rolf Heuer, ha rilasciato immediatamente al termine della conferenza.

13 December 2011. In a seminar held at CERN today, the ATLAS and CMS experiments presented the status of their searches for the Standard Model Higgs boson. Their results are based on the analysis of considerably more data than those presented at the summer conferences, sufficient to make significant progress in the search for the Higgs boson, but not enough to make any conclusive statement on the existence or non-existence of the elusive Higgs. The main conclusion is that the Standard Model Higgs boson, if it exists, is most likely to have a mass constrained to the range 116-130 GeV by the ATLAS experiment, and 115-127 GeV by CMS. Tantalising hints have been seen by both experiments in this mass region, but these are not yet strong enough to claim a discovery. [...]

In questo primo paragrafo si dice già praticamente tutto. Gli esperimenti ATLAS e CMS, che sono quelli il cui primo principale obiettivo è la scoperta dell'esistenza o meno del bosone di Higgs hanno appena terminato l'analisi di tutti i dati raccolti fino a sei settimane fa, quando l'acceleratore è passato da protoni a ioni pesanti. Hanno a disposizione oltre il doppio della statistica che avevano per i risultati presentati alle conferenze estive. Questi nuovi dati hanno permesso di ridurre ulteriormente l'intervallo di masse in cui il bosone di Higgs può ancora nascondersi e i due range sono molto simili per i due esperimenti. Ma non è tutto. In quell'intervallo di masse, non solo non si può affermare che il bosone non esiste, ma non si può nemmeno escludere il contrario. Infatti...

"We have restricted the most likely mass region for the Higgs boson to 116-130 GeV, and over the last few weeks we have started to see an intriguing excess of events in the mass range around 125 GeV," explained ATLAS experiment spokesperson Fabiola Gianotti."This excess may be due to a fluctuation, but it could also be something more interesting. We cannot conclude anything at this stage. We need more study and more data. Given the outstanding performance of the LHC this year, we will not need to wait long for enough data and can look forward to resolving this puzzle in 2012."
"We cannot exclude the presence of the Standard Model Higgs between 115 and 127 GeV because of a modest excess of events in this mass region that appears, quite consistently, in five independent channels," explained CMS experiment Spokesperson, Guido Tonelli. "The excess is most compatible with a Standard Model Higgs in the vicinity of 124 GeV and below but the statistical significance is not large enough to say anything conclusive. As of today what we see is consistent either with a background fluctuation or with the presence of the boson. Refined analyses and additional data delivered in 2012 by this magnificent machine will definitely give an answer." [...]

Sono Fabiola Gianotti e Guido Tonelli, i portavoce dei due esperimenti nonché speakers d'eccezione della conferenza di oggi a parlare. Sono loro a dirci che in un intervallo di massa intorno a 125 GeV si osserva un lieve eccesso di eventi, che tradotto in parole più semplici significa che il bosone di Higgs potrebbe essersi nascosto proprio lì. La statistica è però poca, i livelli di confidenza ancora troppo bassi per poter parlare di una vera e propria scoperta, ma il fatto che l'eccesso sia misurato dai due esperimenti e anche su più canali di decadimento lascia ben sperare che non sia una semplice fluttuazione. Tonelli, ha esordito la sua presentazione dicendo che se il bosone di Higgs esiste e si comporta come previsto dal modello standard, allora con la quantità di dati raccolti fino ad oggi non possiamo pretendere di avere alti livelli di confidenza, dobbiamo accontentarci di deboli indicazioni, per raffinare la nostra ricerca e cercare meglio nei dati che verranno.

Ma veniamo ai numeri, perché lo so che se non vedete i grafici non ci credete che è stata veramente una conferenza di fisica. Qui sotto ci sono i due grafici che tutti stavamo aspettando da questa conferenza, a sinistra trovate ATLAS e a destra CMS in rigoroso ordine alfabetico.

Cerchiamo di capire insieme cosa ci dicono (fortunatamente entrambi usano la stessa convenzione di colori e di linee). Sull'asse orizzontale abbiamo l'ipotetica massa del bosone di Higgs. Il modello standard non ci dice quale sia la sua massa, ma ci dice quale è la probabilità che venga generato in una collisione di protoni di una certa energia. Le regioni in cui la riga nera con i puntini, ovvero i dati sperimentali, scende sotto il livello di 1, sono da considerare escluse, ovvero il bosone di Higgs non può avere quella massa. Dobbiamo quindi focalizzarci sulle zone, decisamente piccole, in cui la riga nera si trova sopra l'1. In particolare dobbiamo confrontare i dati sperimentali con i dati simulati di un modello standard in cui l'Higgs non esiste, che nel grafico sono rappresentati dalla linea tratteggiata. I bordi verdi e gialli rappresentano una sorta di allargamento di questa linea tratteggiata che tiene conto delle incertezze della simulazione. Se i dati sperimentali si allontano dalla riga tratteggiata e magari escono persino dalla banda gialla, allora deve suonare il campanello di allarme perché vuol dire che in quel punto il bosone di Higgs sta inviando un segnale della sua presenza.

In entrambi i grafici, che contengono i risultati combinati dei tre canali principali di decadimento del bosone di Higgs in questo intervallo di energie, vedete una montagnetta intorno a 125 GeV. Questa montagnetta però è ancora troppo vicina alla banda gialla per poter stappare una bottiglia di quelle buone, siamo a livelli di confidenza tra 2 e 3 sigma che in parole meno complicate vuol dire che quello è un segnale vero con una probabilità tra il 95% e il 99%. Chiunque altro avrebbe già cominciato a brindare, ma non i fisici delle particelle che prima di essere contenti vogliono almeno 5 sigma.

Cosa fare dunque. Innanzitutto si può raffinare l'analisi. Le procedure di ricostruzione degli eventi, la comprensione del rivelatore, la stima precisa di tutte le sorgenti di errore può sicuramente aiutare a migliorare i risultati presenti. Ma il grosso arriverà con la presa dati del prossimo anno. Fino ad oggi sono stati raccolti 5 fentobarns inversi di luminosità integrata - che non è una grave malattia della pelle, ma è un modo particolare che i fisici usano per contare il numero totale degli eventi rivelati e successivamente analizzati. Per il run del 2012, grazie ai miglioramenti sull'acceleratore, si collezioneranno 20 fentobarns inversi, ovvero 4 volte la quantità disponibile fino ad oggi, il che vuol dire solo una cosa: se per quest'anno ti è andata ancora bene, per l'anno prossimo, mio caro Mr Higgs, non hai scampo! O come dicono a Milano, per quest'anno il panettone lo mangi ancora, ma per la colomba staremo a vedere :)