Quante sigma per una scoperta

Annunciata scoperta bosone di Higgs, leggi approfondimento

Il 4 luglio si avvicina sempre più velocemente e il tanto atteso seminario di presentazione dello stato della ricerca del bosone di Higgs agli esperimenti al CERN è ormai prossimo. Nell'attesa cerchiamo di capire alcuni aspetti fondamentali che permettono ad un segnale su un istogramma di diventare una scoperta oppure no.

Innanzitutto bisogna partire dalle sigma. Sentiremo spesso parlare di questa lettera greca nei prossimi giorni, anzi già oggi, gli esperimenti CDF e D0 del Fermilab (ormai chiuso) hanno annunciato che c'è un'evidenza di 2.5 sigma per la presenza di un bosone di Higgs come quello descritto dal modello standard con massa intorno a 125 GeV. Ma cos'è un sigma? E' una grandezza statistica che indica quanto il risultato di una misura si discosta dalla media.

In pratica ci dice quanto difficile è che un risultato che si scosta dalla media sia legato solo ad una fluttuazione statistica e non ad una vera e propria causa scatenante. I fisici delle particelle, per trovare le tracce della presenza del bosone di Higgs, si sono calcolati quella che deve essere la risposta dei vari rivelatori nel caso in cui l'Higgs non esiste e poi facendo l'esperimento per davvero guardano quanto i risultati sperimentali sono lontani dal modello teorico senza Higgs. Più l'esperimento si distanzia dal modello senza Higgs e più è probabile che il modello senza Higgs sia sbagliato e quel segnale non sia una fluttuazione del rumore di fondo, ma proprio lui, il tanto atteso bosone.


Quante sigma?

Ma quanto deve essere distante? Quante sigma? 3 sigma corrispondono ad 1 probabilità su 740, ovvero se il segnale fosse distante 3 sigma dal modello senza Higgs e dicessi che la discrepanza è dovuta al bosone, allora potrei sbagliarmi con una 1 probabilità su 740. In genere 3 sigma sono solo sufficienti per concentrare le ricerche in un punto, assolutamente non abbastanza per parlare di scoperta. Diciamo che c'è un'indizio. 4 sigma corrispondono a 1 possibilità su 32mila e ancora non è scoperta anche se si parla di possibile scoperta, che necessita di ulteriore raccolta dati e analisi. Solo con 5 sigma, 1 probabilità su 3.5 milioni si parla di scoperta. Non si scherza mica.

5 sigma bastano?

Il bosone di Higgs però è una bestia particolare. Il suo modo di rivelarsi nei collisionatori di particelle è attraverso il suo decadimento. In pratica non vedremo mai il bosone di Higgs, ma sempre e solo i suoi prodotti. A LHC ci sono almeno 3 canali di decadimento che possono essere tenuti sotto controllo: con il bosone di Higgs che decade in due fotoni, oppure due W o due Z. La discrepanza tra segnale misurato e modello senza Higgs deve comparire nello stesso punto e con la stessa significanza statistica per tutti i canali di decadimento. Se comparisse solo per uno e non per gli altri, allora vorrebbe dire che c'è qualcosa che non funziona o nella comprensione del fondo, oppure abbiamo scoperto qualcosa che non è il bosone di Higgs o ancora il bosone di Higgs non è quello previsto dal modello standard.

Divertente vero? Nell'attesa potete leggere le domande e risposte sul Bosone di Higgs, per capire perché è così importante e a "cosa serve". Ecco il link.