Higgs: una scoperta giorno dopo giorno

Oggi voglio presentarvi una vera e propria opera d'arte. Questa mattina, quando l'ho vista ne sono rimasto impressionato come di fronte ad un capolavoro di Van Gogh, ma la seconda volta che la riguardavo mi sono reso conto che la bellezza di quest'opera era visibile solo ai fisici delle particelle, per tutti gli altri era al più misteriosa come il sorriso della Gioconda o fredda e inutile come una pagina stropicciata di un giornale vecchio. Così, eccomi qua e cercare di spiegarvela, in modo che la sua bellezza diventi accessibile a tutti.

Ci tengo a precisare che non ne sono l'autore e nemmeno ho contribuito a riempire quel grafico anche se, non lo nego, mi sarebbe piaciuto. Mi limito a decantare la bellezza del lavoro della collaborazione ATLAS. Quindi se siete pronti, vi consiglio di cliccare con il tasto destro sopra l'immagine qui sotto per aprirla in una nuova finestra e guardarla scorrere nella sua interezza per una prima volta.


Il grafico

Cominciamo con il dire che cosa contiene questo grafico. Ero indeciso se mettere questa spiegazione all'inizio o alla fine del post, perché solo quando sarete arrivati alla fine potrete capirne il significato profondo, però iniziare a parlarne senza avere la minima idea di cosa sia è altrettanto difficile. Quindi, facciamo così, quando arrivate alla fine del post, riguardate per un'ultima volta il grafico e poi tornate a leggere questo paragrafetto.

Il contenuto del grafico è spiegato nell'angolo in alto a destra e per comodità ve lo riporto anche qui. Si tratta di dati provenienti dall'esperimento ATLAS. Tra tutte le collisioni registrate sono state selezionate solo quelle in cui il grosso rivelatore ha riscontrato la presenza di 4 leptoni (4l) che derivano dal decadimento di una coppia di bosoni Z (ZZ*). Questo canale, così si chiama un modo di decadimento, è particolarmente fortunato perché lo si può ricostruire interamente e si può calcolare la massa della particella da cui la coppia di Z deriva e che tutti noi speriamo si tratti del bosone di Higgs (H).

L'evoluzione temporale

Vi sarete sicuramente resi conto che il grafico è in realtà una gif animata in cui sono sovrapposti oltre 500 fotogrammi corrispondenti a tempi differenti. La scala temporale è scritta nell'angolo in alto a sinistra e coma al solito anche qui per semplicità. Con il passare dei giorni di presa dati, l'esperimento ha accumulato sempre più eventi utili e i fisici della particelle sono soliti definire la mole di dati come luminosità integrata, che si misura in fentobarn inversi (fb-1). Il primo numerino, cioè la radice quadrata di s, è l'energia nel centro di massa dei due fasci che collidono. Vedete che il grafico finale contiene quasi 5 fb-1 raccolti entro il 3/11/2011 con un'energia di 7 TeV, mentre altri 20.58 fb-1 sono stati raccolti tra il 3/11/2011 e il 9/12/2012 a 8 TeV.

I due assi e le curve

Vediamo di capire meglio il significato dei due assi e delle curve che si muovono sul diagramma. L'asse orizzontale è in unità di massa, che i fisici usano misurare come se fosse energia per questo la trovate espressa in GeV. Se vi ricordate il primo paragrafo, vi avevo detto che questo particolare canale di decadimento permette di risalire alla massa dell'oggetto originale; ecco, l'asse delle x rappresenta la massa di questa particella primordiale da cui inizia la sequenza di decadimenti. Vedete che va da circa 80 GeV a 500 GeV.

L'asse verticale ci dice quanti eventi sono stati trovati per cui la massa ricostruita è compresa in un intervallo di 5 GeV centrato sul valore delle x. In altre parole, prendete un valore sull'asse orizzontale, diciamo 200 GeV, e salite verticalmente fino a quando trovate il pallino nero corrispondente. A questo punto spostatevi orizzontalmente verso sinistra fino ad incrociare l'asse delle y, diciamo in un punto vicino a 15. Questo significa che 15 volte, la massa ricostruita è compresa tra 197.5 e 202.5 GeV.

I puntini neri sono i risultati veri dell'esperimento e sono da confrontarsi con le aree colorate rosse e viole (parleremo di quella azzurra nel seguito). Queste sono i risultati delle simulazioni effettuate nell'ipotesi che il bosone di Higgs non esista.

Prima di continuare a leggere, riguardate nuovamente il grafico nella sua interezza. Vedete come, per quasi tutto l'intervallo di masse, i punti neri siano molto vicini alle aree colorate, il che significa che l'esperimento sta misurando esattamente quanto previsto dal Modello Standard delle particelle elementari.

Ma quel picco azzurro?

Quasi ovunque, però. Perché c'è un intervallo di masse centrato intorno a 125 GeV dove i punti sono particolarmente lontani dalla curva, come a dire che l'esperimento e il Modello Standard senza bosone di Higgs non corrispondono. E allora aggiungiamo alla simulazione questo benedetto Higgs e, se gli assegniamo una massa di 125 GeV, il Modello Standard ci dice che i punti neri dovrebbero essere molto vicini all'area azzurra.

Incredibile vero? Ora riguardate il grafico scorrere ancora un'ultima volta e tenete lo sguardo fisso in quella zona del grafico. Vedrete i punti neri allontanarsi sempre di più dalla curva rossa e starete ammirando con i vostri occhi la scoperta di un nuovo bosone.