Un weekend fruttuoso. Ovvero, 5 femtobarn inversi con cui fare parecchio, ma da ripulire per bene

Non so che cosa abbiate fatto voi durante il weekend. LHC, da parte sua, ha continuato imperterrito a far collidere protoni contro protoni, permettendo ad ATLAS e CMS di raggiungere 5 femtobarn inversi di luminosità integrata registrata! Per chiarire un po' l'unità di misura un po' esoterica, 5 femtobarn inversi corrispondo a circa 350 milioni di milioni di collisioni protone-protone prodotte dall'acceleratore nei diversi punti di interazione, e registrate dagli esperimenti. Tenendo conto che l'obiettivo iniziale per il run 2011 era di collezionare almeno 1 femtobarn inverso, siamo ben oltre ogni aspettativa.

La ragione di questo successo è un acceleratore che non solo ha funzionato estremamente bene senza soste, ma che è stato in grado di aumentare la quantità di collisioni per unità di tempo in maniera impressionante, come vedete da questo grafico che riporta la luminosità (ovvero le collisioni) raccolta da ATLAS in un giorno, in funzione del passare del tempo: una bella scalata!

Per aumentare la quantità di collisioni è stato necessario nel tempo rimpolpare i pacchetti di protoni con un numero sempre maggiore di particelle, e aumentare il numero di pacchetti nell'acceleratore per accrescere il numero di incontri tra pacchetti al secondo. Le due cose non sono state prive ci conseguenze. I pacchetti più grassotti aumentano la probabilità che in un incontro tra pacchetti più di una coppia di protoni interagisca: se nel run del 2010 in media meno di due interazioni avvenivano all'occasione di un incontro tra pacchetti di protoni, nel 2011 questo numero è cresciuto sfiorando a volte le 12 collisioni per incontro tra pacchetti, consegnandoci dunque dati popolati da interazioni spurie sovrapposte a quelle interessanti: un bel caos da ripulire! I treni di pacchetti più lunghi e serrati aumentato la probabilità che, nel corso delle incontro di due pacchetti situati all'interno di un treno di pacchetti, i rimasugli delle collisioni avvenute negli incontri dei pacchetti precedenti siano ancora in giro a disturbare le collisioni attuali. I due fenomeni che vi ho abbozzato vengono in gergo chiamati pile-up ("impilamento"), e rappresentano una bestia nera nella comprensione dettagliata dei dati. Soprattutto per gli studi e le misure di precisione, ci vorrà un po' prima che dei risultati veramente puliti escano da questi 5 femtobarn inversi.

350 milioni di milioni di collisioni sono un sacco di dati, con i quali si possono fare e si potranno dire molte cose. Per darvi un'idea, è ben possibile che con questi dati, combinando le forze di ATLAS e CMS, si possa chiudere la questione del bosone di Higgs del Modello Standard. 5 femtobarn inversi per esperimento, e la combinazione dei risultati dei due esperimenti, dovrebbero bastare a spazzolare tutte le zone dove ancora il benedetto bosone - se è veramente lui la ragione della rottura della simmetria tra la forza elettromagnetica e quella debole, e del fatto che i bosoni W e Z siano pesanti mentre il fotone non ha massa - potrebbe ancora nascondersi, tranne forse la zona intorno a 115 GeV, per il quale i dati non potrebbero ancora bastare, e ci toccherà aspettare la ripresa nel 2012.

Il run di collisioni protone-protone del 2011 si avvia infatti alla fine. Secondo il programma ufficiale, infatti, abbiamo ancora una settimana di dati di questo tipo da prendere, e poi, dopo un paio di settimane di aggiustamenti, inizieranno le collisioni tra ioni pesanti. ATLAS e CMS continueranno a prendere dati anche da queste collisioni, ma sarà ALICE a farla veramente da padrone. La maggior parte di noi sarà impegnata ad analizzare i dati protone-protone. A metà dicembre ci sarà una riunione del Council del CERN, l'equivalente del consiglio d'amministrazione: potrebbe essere un'ottima occasione per tirare fuori qualche risultato nuovo di zecca. Al lavoro!

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16 Commenti

  1. Fabiano
    Pubblicato il 24 ottobre 2011 alle 18:35 | Permalink

    Stai dicendo che non farete in tempo per presentare qualche bel plot sull'Higgs con almeno 4.x/fb di dati al "Hadron Collider Physics Symposium 2011" di novembre?

  2. Tommybond
    Pubblicato il 24 ottobre 2011 alle 20:31 | Permalink

    @Marco : Che bello quando dai tutti questi numeri 🙂 😉 Oltre ai numeri trasmetti ottimi motivi per aspettare con ansia l'analisi dei dati!
    Come al solito ti segnalo gli errori di battitura 🙂
    Errore 1( secondo rigo dopo secondo grafico : "di aumentare al quantità " dovrebbe essere "di aumentare la quantità"
    Errore 2(terzultimo rigo dopo il terzo grafico) : "la zone". Le zone o la zona? Vedi tu:-)

  3. Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 08:24 | Permalink

    @Tommybond: grazie, corretti!

  4. Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 08:25 | Permalink

    @Fabiano: non è una domanda alla quale posso rispondere. I dettagli di che cosa ATLAS mostrerà a HCP (o al Council) restano un segreto, e per quello che ne so tu potresti essere una spia di CMS! 🙂

  5. Claudio E
    Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 12:23 | Permalink

    Ciao Marco, sbaglio o le probabilità di trovarlo si concentrano nella zona tra 115 e 125 GeV vista la sua massa teorica? Speriamo non sia proprio nella zona 115 GeV, sarebbe bello trovarlo entro la fine dell'anno.
    Una curiosità, se non sbaglio finora avete escluso una tutte le zone sopra 125 GeV e sotto i 115 GeV (non ricordo esattamente), non vi siete concentrati sulla zona più probabile per una ragione tecnica o per escludere prima tutto il resto? Grazie mille per tue preziose informazioni, è un privilegio avere una fonte diretta di informazione sul lavoro all'LHC 😉

  6. Claudio E
    Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 14:55 | Permalink

    sono andato a rivedere la precedente conferenza stampa e devo correggere la mia precedente risposta, avete già escluso l'higgs per valori superiori a 145 GeV, quindi resta la zona tra 115 e 145 GeV. Immagino che siate partiti da valori più alti perchè in quella zona l'hanno già cercato infruttuosamente altri acceleratori come il fermilab...

  7. Fabiano
    Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 19:35 | Permalink

    @Marco: eh, eh, immaginavo 😀 - io ci ho provato (tornerò a mani vuote al comando CMS).

  8. Fabiano
    Pubblicato il 25 ottobre 2011 alle 19:45 | Permalink

    @ClaudioE: veramente le esclusioni di LHC sono già di gran lunga più vaste rispetto a quelle ottenute al Tevatron. Ti suggerisco questo articolo, sempre di Marco, dove compare un grafico che mostra i risultati sull'attuale raggio d'azione di ATLAS, ovvero fino a 600 GeV.

  9. Claudio E
    Pubblicato il 26 ottobre 2011 alle 10:14 | Permalink

    Grazie per la segnalazione, non l'avevo letto infatti. Sapevo che LHC ha escluso masse fino a 600 GeV, la mia domanda riguardava il range 115<Mh<145 che dovrebbe essere quello dove più probabilmente si dovrebbe trovare l'higgs secondo il MS. Probabilmente è una domanda un po' ingenua perchè non conosco tecnicamente come funziona un collisore, pensavo si potesse decidere a priori a quali energie farlo funzionare e stabilire quindi in partenza che tipo di masse osservare, chiedevo quindi come mai non ci si è concentrati subito sulla zona più probabile, ma, ripeto, probabilmente è una domanda ingenua.

  10. Mattia
    Pubblicato il 26 ottobre 2011 alle 13:00 | Permalink

    Ciao Marco, forse la mia domanda è troppo "invadente" o forse io mi faccio "prendere" un po' troppo, ma giudico la notizia che ci hai dato, davvero sensazionale... Quindi, ci siamo sempre più alle calcagna a questo Higgs? con i dato ottenuti si potrà dire con certezza "se non è qui, sarà nella zona dei 115 GeV"? Negli urti registrati si è visto qualcosa di "higgsiano" ?!?!

    Ciao e grazie per la disponibilità, e ancora una mare di complimenti...

    Madooooo quanto ti invidio!!!

  11. Pubblicato il 26 ottobre 2011 alle 18:24 | Permalink

    @Mattia: a parte il fatto che "certezza" è un concetto che non potremo usare (ti diremo con una confidenza statistica al 95% che il boosone di Higgs del Modello Standard, se esiste, non ha una certa massa). Quanto alla domanda sulla visione di "qualcosa di higgsiano", pensi veramente che possa e voglia risponderti qui?

  12. Pubblicato il 26 ottobre 2011 alle 18:27 | Permalink

    @Claudio: non sarebbe una domanda peregrina se stessimo parlando di un collisore di elettroni e positroni come era LEP, dove avresti sempre la certezza che tutta l'energia delle particelle fatte collidere sarebbe stata usata per generare i prodotti di collisione. Nel caso di un collisore adronico come LHC, però, stai facendo scontrare particelle composte e non elementari (un protone è una zuppa di quark e gluoni), e dunque, nonostante tu sappia l'energia iniziale dei tuoi adroni, non hai modo di sapere in modo puntuale (ma solo statistico) quale delle componenti elementari dell'uno interagirà con quelle dell'altro, e dunque quanta energia avrai veramente a disposizione in quella collisione. È la ragione per cui, nonostante i 7 TeV a disposizione, in realtà raramente produciamo qualcosa di più energetico di 1 TeV.

  13. Mattia
    Pubblicato il 27 ottobre 2011 alle 09:35 | Permalink

    ehehe, io ci ho provato... vorrà dire che attenderò la pubblicazione dei risultati... Ovviamente con CERTEZZA intendevo dare alla parola il valore che essa ha in fisica...

    Grazie e buon lavoro!

  14. Claudio E
    Pubblicato il 27 ottobre 2011 alle 12:33 | Permalink

    grazie mille per la risposta! Sei stato molto chiaro, in effetti non avevo considerato che LHC accelera particelle composte.

    Guardando questo grafico credo che qualcosa di "higgsiano", anche solo come sospetto, l'abbiate visto 😛

  15. Antonio
    Pubblicato il 27 ottobre 2011 alle 12:37 | Permalink

    Ciao Marco,
    recentemente sono stato a IPAC2011 (International Particle Accelerator Conference). Tra i vari talk dei macchinisti del CERN ho seguito uno molto interessante riguardo l'upgrade di LHC. Da quanto ho capito ci sono diverse strategie: aumentare la luminosità, aumentare l'energia e aumentare entrambi.
    Per quanto riguarda la luminosità la cosa mi sembra logica, maggiore luminosità=maggiore statistica. Invece sull'energia ho dei dubbi. Dal punto di vista sperimentale è davvero utile aumentare l'energia? mi sembra che l'higgs si dovrebbe nascondere in intervalli di energia già ampiamente coperti dall'attuale LHC. C'è altra fisica da scoprire ad energie più elevate?

    Ho intuito che l'upgrade di energia di LHC ammazzerebbe definitivamente CLIC (anche se probabilmente si ucciderà da solo una volta che uscirà fuori il costo reale della macchina :-)) ). Mi confermi?

  16. Pubblicato il 27 ottobre 2011 alle 15:08 | Permalink

    @Antonio: occhio a non confondere l'ipotetica massa del bosone di Higgs (che, se esiste, resta la stessa a prescindere dall'energia nel centro di massa dell'acceleratore) e la sua sezioni d'urto di produzione, ovvero la probabilità di produrlo in una collisione protone. Quest'ultima aumenta con l'aumentare dell'energia nel centro di massa dell'acceleratore, mentre le equivalente sezione d'urto per i processi di "fondo" (il rumore, insomma) crescono ma non quanto quella del segnale, risultando in un rapporto segnale/rumore più favorevole a energie dell'acceleratore maggiori. Quanto a CLIC (o a ILC), ci sono ragioni politiche (per esempio, non è chiaro se il CERN potrà impegnarsi allo stesso tempo su troppi progetti grossi), ma anche scientifiche che non sono chiare oggi: molto dipenderà da se e cose di "nuovo" LHC vedrà nei prossimi anni.

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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