Scienza e opinioni di frontiera

La giornata di ieri è stata delirante.

Mica tanto per gli annunci sullo stato di salute della ricerca del bosone di Higgs: in buona sostanza, conoscevo già i risultati, e, sebbene sia vero che potrebbero esserci buone ragioni per eccitarsi forse per la prima volta dalla partenza di LHC, la cautela resta comunque d'obbligo, ed è decisamente troppo presto per stappare lo champagne. No, il delirio è associato piuttosto al baraccone mediatico che si è creato intorno a questo evento, baraccone che secondo me ha persino intaccato la qualità scientifica di una parte del seminario stesso (e ve lo dico senza peli sulla lingua: sto pensando alla presentazione di CMS), probabilmente a danno di una comprensione completa dello stato delle cose. Ma andiamo con ordine, e lasciamo folklore e sociologia per un altro articolo.

Come penso di aver scritto probabilmente già un migliaio di volte, non abbiamo nessuna predizione teorica della presunta massa del bosone di Higgs, per cui o cerchiamo in un intervallo di massa ampio, tra il limite inferiore messo dalle ricerche dirette di LEP (115 GeV), e un limite superiore di circa 1 TeV oltre il quale è ben difficile che questa particella esista, perlomeno nel modo in cui lo predice il Modello Standard. Quello che invece i teorici sono in grado di calcolare, in funzione della massa presunta del bosone di Higgs, è quanto spesso verrebbe prodotto nelle collisioni di LHC, e quanto facilmente potrebbe decadere in diversi tipi di particelle. Le modalità di decadimento cambiano a seconda della massa del bosone per ragioni diverse, ma la principale rimane questa: perché il bosone di Higgs possa decadere in una serie di particelle dotate di una certa massa, bisogna che la massa del bosone stesso sia sufficiente a generarle. O quasi, perché poi la meccanica quantistica si mette di mezzo, ed esiste una probabilità di creare una particella in modo virtuale per un tempo sufficientemente breve anche se non c'è abbastanza energia, ma in sostanza il quadro è questo.

Il grafico qui sopra riporta la probabilità che il bosone di Higgs decada in un certo modo, in funzione del valore della sua massa. Come vedete, a bassa massa, diciamo tra 50 e 150 GeV, il decadimento preferito è in una coppia di quark-antiquark b, mentre appena la massa diventa sufficiente, sopra i 150 GeV,  il decadimento in coppie di bosoni W e Z diventa predominante. Per masse molto alte, appena l'energia è sufficiente, anche il decadimento in coppie di quark-antiquark t diventa possibile. Queste informazioni guidano le strategie di ricerca di ATLAS e CMS, che di fatto cercano di vedere qualche segno del passaggio del bosone di Higgs negli stessi canali di decadimento.

Per piccoli valori di massa del bosone di Higgs, tra i 110 e i 150 GeV, lo si cerca principalmente nel suo decadimento in due fotoni (), nonostante la probabilità di questo decadimento sia veramente bassina (circa 2 volte ogni 1000 decadimenti): gli altri modi di decadimento ( e ), sebbene molto più probabili, sono veramente difficili da vedere a LHC a causa dei grandissimi rumori di fondo. Sia ATLAS che CMS studiano questi modi, e ieri CMS ha presentato gli ultimi risultati anche su questi canali, ma di fatto la sensibilità ultima è completamente dominata dal modo , per cui vi parlerò solo di questo.

Nelle regioni di massa intermedia si usano i decadimenti in coppie di bosoni W o Z. Siccome a loro volta i bosoni W e Z hanno diversi modi di decadere, alla fine ci ritroviamo con diversi stati finali possibili, anch'essi con una sensibilità diversa a seconda della massa dell'Higgs: tra 110 e 140 GeV possiamo dire parecchio con il decadimento , dove la sta per leptone, che può essere un elettrone o un muone; tra 200 e 600 GeV ci dice di più il decadimento , dove la coppia di quark da origine a due spray di adroni che chiamiamo jet; analogamente, sempre tra 200 e 600 GeV c'è parecchio da scoprire guardando i decadimenti e ; il decadimento più sensibile per la scoperta resta però (in varie combinazioni di leptoni: 4 elettroni, o 2 elettroni e 2 muoni, o 4 muoni), che può dire molto per masse del bosone di Higgs variabili su tutto il range tra i 110 e i 600 GeV.

Le ricerche fatte fino ad oggi hanno già escluso una buona porzione dei valori di masse possibili, per cui di fatto siamo rimasti con una zona piuttosto ristretta dove andare a cercare, o da escludere definitivamente.  Se ricordate, la combinazione dei risultati di ATLAS e CMS presentati quest'estate ha già escluso la regione di massa tra 141 e 476 GeV, riducendo di fatto la zona interessane in cui andare a scavare tra i 115 GeV del limite superiore di LEP e 141 GeV. In questa finestra di bassa massa i canali di decadimento che possono dare informazioni veramente utili sono di fatto solo , e , che sono quelli che ATLAS ha presentato ieri, e che dominano anche i risultati di CMS.

Nel caso della ricerca di , il segnale è rappresentato dall'apparizione di due fotoni nei rivelatori, le cui energie e posizioni siano compatibili con il decadimento di una particella. La collisioni di due protoni però genera a sua volta un mucchio di coppie di fotoni, che rappresentano il rumore di fondo. Siccome in questo caso i fotoni non sono prodotti dal decadimento di una particella, se calcolo a partire dalle loro energie e posizioni la massa della particella dal cui decadimento sarebbero originati, non ottengo un valore univoco, ma uno spettro continuo di valori. Con i fotoni che proverrebbero dal decadimento del bosone di Higgs dovrei invece vedere un accumulo di eventi per un valore di massa definito. La massa invariante delle coppie di fotoni osservate è in questo caso la lampadina che mi segnalerebbe l'apparire del bosone di Higgs, e siccome ho un continuo di lampadine dove invece il bosone non si manifesta (il continuo di massa dovuto alle coppie di fotoni generate direttamente nello scontro tra i protoni), posso usarlo per valutare il rumore di fondo. Ecco il risultato di ATLAS (o meglio, una parte):

e l'equivalente per CMS:

Nel caso di ATLAS potete vedere, persino a occhio nudo, un certo eccesso in corrispondenza di 126 GeV. Nel caso di CMS le cose sono meno chiare, c'è forse un eccesso più debole intorno a 124 GeV, e forse un'altro intorno a 135 GeV. Usando le tecniche statistiche di cui abbiamo discusso nei giorni scorsi, questi eccessi possono essere quantificati: localmente ATLAS vede nel canale un eccesso di 2.8 sigma, che però scende a 1.5 sigma se si tiene in conto il Look Elsewhere Effect (LEE). CMS vede un eccesso locale di 2.3 sigma a 124 GeV, la cui significatività scende a 0.8 sigma se si tiene conto del LEE.

Per il canale la situazione è simile: anche qui posso usare le energie e le posizioni dei 4 leptoni (, o ) per ricostruire quale sarebbe la massa della particella originale da cui i leptoni proverrebbero se fossero i suoi prodotti di decadimento. Qui le cose con il rumore di fondo sono un dito più complesse, perché si tratta sia per il segnale che per il fondo di eventi molto rari, e per la misura del livello di fondo ci si deve spesso affidare a un'estrapolazione dai dati più complessa. Ecco cosa vede ATLAS:

e quello che vede CMS:

ATLAS ha un'accumulazione di 3 eventi intorno a 125 GeV, in un posto in cui se ne aspetterebbe praticamente solo 1 dovuto al rumore di fondo. La situazione in CMS è più confusa: globalmente anche CMS ha un eccesso di eventi rispetto al totale atteso, ma meno localizzato che quello di ATLAS, con eccessi sia poco sotto i 120 GeV che intorno a 126 GeV. Vi prego poi di notare che ATLAS ha anche un eccesso di eventi intorno a 240 GeV, più o meno altrettanto significativo che quello a 125 GeV, mentre CMS non vede nulla di simile in quella zona. Questo è un classico esempio del motivo per cui bisogna essere cauti in questo tipo di ricerche: forse che ATLAS sta vedendo due bosoni di Higgs, uno a 125GeV e uno a 240 GeV? O sono entrambe fluttuazioni? E CMS?

Finalmente, il canale . Se possibile, qui le cose sono ancora più complicate: siccome nello stato finale ci sono dei neutrini, che di fatto ATLAS e CMS non vedono, il giochino di ricostruire la massa della particella da cui gli oggetti finali verrebbero partendo dalle loro energie e posizioni non è più possibile, e dunque la ricerca si fa meno precisa. Posso sempre costruire delle variabili analoghe, ma la capacità di dire qualcosa di preciso rispetto a una massa precisa sarà comunque inferiore. In questo canale sia ATLAS che CMS vedono un accesso globale, che potenzialmente rinforza l'ipotesi di un possibile fenomeno a bassa massa, ma non aiuta a chiarire per quale valore di massa possa stare spuntando fuori qualcosa.

Se si mettono insieme tutti i risultati, ovvero i 3 canali che ho discusso per ATLAS, e questi 3 più tutti gli altri per CMS, si ottengono questi risultati globali:

ATLAS è oggi in grado di escludere tutto il range di bassa massa possibile per il bosone di Higgs tranne l'intervallo tra 115 e 131 GeV, mentre l'eccesso a 240 GeV impedisce un'esclusione completa della regione delle masse intermedie. CMS ottiene nella regione a bassa massa un'esclusione analoga, che lascia libero l'intervallo tra  il limite di LEP e 127 GeV. ATLAS vede un eccesso apparentante coerente intorno a 126 GeV che, combinando tutti i canali, ha una significanza statistica locale di 3.6 sigma, da ridimensionare a 2.5 sigma tenendo in conto il LEE. CMS ha di fatto due eccessi con significanze simili, uno intorno a 120 e l'altro intorno a 124 GeV, non necessariamente coerenti tra di loro (sopratutto tenendo conto dell'ottima risoluzione del calorimetro di CMS che viene usato per misurare tanto i fotoni che gli elettroni). Globalmente questo fa sì che CMS abbia un eccesso sparpagliato su tutta la regione di bassa massa, globalmente non più significativo di 1.9 sigma.

Che cosa possiamo concludere da questo quadro? È molto difficile dirlo. Come diceva ieri pomeriggio Fabiola Gianotti alla fine della presentazione di ATLAS, sarebbe molto bello da parte del bosone di Higgs aver scelto di esistere tra 115 e 130 GeV: in queste regioni abbiamo mezzi e capacità per stanarlo, e forse qualche primo indizio della sua presenza. Ma tentare di far dire ai dati di più di quello che possano dire, che mi è sembrato un po' quello che Guido Tonelli abbia tentato di fare alla fine della sua presentazione, tirando un po' troppo per i capelli una coerenza tra i risultati di CMS che non è necessariamente presente, è certamente eccessivo. Gli eccessi osservati sono intriganti, ma tutti ancora troppo limitati per poter escludere che siano delle fluttuazioni del rumore di fondo. Il fatto poi che, oltre agli eccessi "gradevoli", ce ne siano altri meno "apprezzati" (pensate all'eccesso a 240 GeV nel canale a 4 leptoni di ATLAS, ma anche al doppio eccesso di CMS) dovrebbe ricordare a tutti che la Natura è spesso infida, che la statistica è una bestia difficile da domare, e che solo più dati potranno chiarire uno scenario che resta intrigante e eccitante, ma troppo vago per potersi permettere di più.

E che sia chiaro, prima che me lo chiediate: io spero che il bosone di Higgs esista, e che abbia una massa di 125 GeV, e che, magari già per l'estate 2012, siamo in grado di poterne annunciarne la scoperta, grazie ai nuovi dati, ad analisi migliorate di quelli presi nel 2011, e della combinazione delle analisi di ATLAS e CMS. Ma tra quello che nutre le mie speranze (e quelle di molti), e quello che si può veramente affermare oggi con i risultati che abbiamo, c'è veramente una bella differenza.