Ogni scoperta si presenta sempre come l'incapacità di escludere un'ipotesi (ovvero, lo stato della ricerca del bosone di Higgs)

Due settimane fa il mondo era impegnato a eccitarsi per il primo potenziale segnale di nuova fisica a LHC, e per la conferma della misura di una velocità superluminale dei neutrini da parte di OPERA, da farsi sfuggire l'altra importante notizia nel mondo della fisica delle particelle, che è stata presentata durante la giornata finale di HCP. Io stesso ho sperato di parlane immediatamente, ma sono stato sommerso da altre cose (workshop, tornadi, cavallette: cose così...) da arrivarci solo oggi.

Vi ricordate gli aggiornamenti sullo stato della ricerca del bosone di Higgs presentati da ATLAS e CMS quest'estate? Già allora, visti i piccoli eccessi osservati indipendentemente dai due esperimenti nella regione per cui il bosone di Higgs avrebbe una piccola massa, ci si chiedeva che cosa si sarebbe potuto dire se ATLAS e CMS avessero unito le proprie forze e combinato quei risultati. Bene, la combinazione delle curva di esclusione presentate ad Agosto è stata finalmente fatta, eccola qui:

L'ho già spiegato nel passato, ma ripetere non guasta. La curva tratteggiata indica, in funzione della presunta massa del bosone di Higgs, quale tasso di produzione dovremmo teoricamente essere in grado di escludere con quella quantità di dati raccolti; la curva continua quale tasso di produzione invece escludiamo proprio con i dati che concretamente abbiamo raccolto, tenendo dunque in conto possibili fluttuazioni statistiche, e anche il fatto che magari il bosone di Higgs esiste per davvero e sta iniziando a fare capolino. Se le curva scendono al di sotto di 1, siamo in grado di escludere un tasso di produzione corrispondente a quello previsto dal Modello Standard: è importante precisare previsto dal Modello Standard, perché il bosone di Higgs (o qualcosa che in natura fa il suo stesso mestiere, ovvero dare massa alle particelle e rompere la simmetria elettro-debole) potrebbe sì esistere, ma avere caratteristiche un po' diverse da quelle previste dal Modello Standard, e questo particolare tipo di analisi non ci direbbe dunque nulla di questa versione alternativa. Non dimenticatelo.

È anche importante spiegare che cosa vuol dire "escluso", o meglio "escluso con un livello di confidenza del 95%", che è quello per cui vale la curva la sopra. Un livello di confidenza del 95% significa che, se rifaceste lo stesso esperimento per 100 volte (nel caso specifico, dovreste far girare ATLAS e CMS fino a prendere circa 2 femtobarn inversi di collisioni ciascuno, e poi ripetere di nuovo per altre 99 volte la stessa presa dati raccogliendone la stessa quantità, e rifacendo poi le stesse analisi su ognuno dei 100 campioni), in 95 di questi esperimenti ritroverete lo stesso risultato (l'esclusione dell'esistenza del  bosone di Higgs del Modello Standard in quell'intervallo di massa), ma esistono 5 possibilità su 100 che invece il bosone di Higgs esista, abbia un massa nella regione che avete escluso, e per via di una sfortunata serie di coincidenze (una grande fluttuazione negativa del rumore di fondo, per esempio, a nascondere il segnale positivo che cercate) vi siate sbagliati. Questo 5% di possibilità di errore vi sembra troppo? Potete sempre calcolare un intervallo corrispondente a un livello di confidenza del 99%, o del 99,999%. Più piccola volete che sia la possibilità che la vostra affermazione (l'esclusione dell'esistenza del bosone di Higgs con una certa massa) sia inaffidabile, maggiore è la quantità di dati che vi servono. O, se preferite, a parità di dati a disposizione un livello di confidenza maggiore sarà possibile solo per un'affermazione più debole (per esempio, l'esclusione di un intervallo di massa più limitato).

Torniamo dunque alla curva. La combinazione dei dati di ATLAS e CMS presentati quest'estate permette di escludere a un livello di confidenza del 95% un intervallo di masse possibili per il bosone di Higgs del Modello Standard già molto ampio, da 141 GeV a 476 GeV. Se volete un livello di confidenza più alto, diciamo del 99%, allora gli stessi dati sono in grado di escludere soltanto la regione tra 146 GeV e 443 GeV, escludendo la zona tra 220 e 320 GeV. La ragione è semplice: la curva di esclusione misurata (quella nera continua) oscilla a volte sotto e volte sopra quella tratteggiata predetta. Se quest'ultima rappresenta quello che ci possiamo aspettare in media da una certa quantità di dati, quello che poi lo specifico campione che abbiamo raccolto ci dice può oscillare un po' sopra o un po' sotto il valore predetto, a causa (ma non solo) di fluttuazioni statistiche. Una fluttuazione negativa è un bel colpo di fortuna: vediamo meno dati di quanti che ne aspetteremmo considerando solo il rumore di fondo, e dunque è ancora meno probabile che l'osservazione sia stata generata dalla sovrapposizione di segnale e rumore.

Quello che però più intrigante è quanto osserviamo più dati di quanti ce ne saremmo attesi (in media) dal solo rumore di fondo. In questo caso, quando la curva continua sta più o meno sopra quella tratteggiata, le possibilità sono due: il rumore di fondo potrebbe aver avuto una fluttuazione positiva, o potrebbe esserci all'opera un meccanismo aggiuntivo (il segnale di cui siamo alla ricerca, i decadimenti del bosone di Higgs) ad aumentare il conteggio. Come certamente non vi sarà sfuggito, nella regione a bassa massa la curva misurata è sistematicamente sopra quella predetta, segno che in questa zona sta succedendo qualcosa. Potrebbe essere semplicemente il segno che non stiamo capendo bene come si comporta il rumore di fondo, oppure che ci sia un segnale che inizia a fare capolino.

Prima di Natale ATLAS e CMS dovrebbero essere in grado di presentare le stesse curve aggiornate ai 5 femtobarn inversi raccolti da entrambi gli esperimenti durante tutto il 2011 (senza combinazione, però). La regione di esclusione dovrebbe stringersi sempre di più, potenzialmente fino a quasi chiudere la zona ancora permesse. Sempre che invece il bosone di Higgs non esista veramente, e che gli eccessi di eventi visti in diversi decadimenti sensibili a un bosone di Higgs leggero non si concretizzino in segnali sufficientemente inequivocabili. All'inizio ogni scoperta si presenta sempre come l'incapacità di escludere una certa ipotesi. Restate sintonizzati.

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13 Commenti

  1. Tommybond
    Pubblicato il 28 novembre 2011 alle 23:17 | Permalink

    @Marco : Ragionando sui singoli grafici che verranno pubblicati a dicembre dai due distinti esperimenti quale sarà il livello di confidenza di esclusione dell'esistenza del bosone con 5 femtobarn inversi di dati? Rimarrà sempre del 95 per cento ma aumenterà la zona di esclusione oppure aumenterà anche il livello di confidenza?

  2. Pubblicato il 28 novembre 2011 alle 23:19 | Permalink

    @Tommybond: in linea di principio la zona di esclusione dovrebbe aumentare, e/o l'eccesso che impedisce di escludere potrebbe aumentare in modo più localizzato. Ma per saperne di più dovrai aspettare un po' 🙂

  3. Tommybond
    Pubblicato il 28 novembre 2011 alle 23:25 | Permalink

    @Marco : Altra domanda che mi è venuta in mente prima ma che digito solo adesso. Ma nella regione di massa superiore a 500 GeV/c^2 che sta succedendo? Gli esperimenti riescono a studiare bene quella zona oppure l'energia totale dei due fasci non è ancora sufficiente?

  4. Tommybond
    Pubblicato il 28 novembre 2011 alle 23:37 | Permalink

    @Marco : Ho scritto la seconda domanda prima di avere modo di leggere la tua risposta alla mia prima! Sei davvero un birbante perchè ci delizi, ci vizi con questi splendidi post e poi non ci comunichi tutte le notizie succose che tu già conosci 😉
    Ovviamente scherzo, sei davvero un grande regalandoci queste splendide spiegazioni sullo stato dell'arte delle ricerche! Attenderò con tanta speranza i nuovi grafici che verranno pubblicati fra qualche settimana come regalo di Capodanno 🙂

  5. Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 08:26 | Permalink

    Ciao, ho scoperto da poco questo blog e, in quanto giovane fisico, l'ho trovato subito interessante! Sono anche stato al CERN di recente e la visita è stata davvero molto bella e istruttiva.
    Per quanto riguarda il post, sicuramente ci vorrà tempo per decifrare il bosone di Higgs, ma quello che ti posso dire è che fa molto più figo per i giornali dire che Einstein aveva torto marcio piuttosto che soffermarsi sulle regioni di esclusione del bosone di Higgs. Non fa vendere copie in più e allora non si dice niente finché non ci sarà la certezza che questo caro bosone esista o non esista. Poi sarà sempre un problema spiegare tutto dopo. 🙂

  6. Mattia
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 10:13 | Permalink

    Ciao Marco, anche io come Tommy, volevo avere qualche chiarimento in più sulla zona che va dai 500 GeV in poi... Li i dati sono ancora "troppo pochi" ( a giudicare dal numero di punti sulla retta continua) rispetto alla regione della bassa energia? al momento perchè l'attenzione è puntata più sulla bassa energia piuttosto che su quella sorpa i 500 GeV? la si analizzerà in un secondo momento quando tutta la parte che sta a sinistra di 500 verrà sondata ed esclusa?

    Grazie mille.

  7. Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 11:52 | Permalink

    Nella zona ad alta massa (diciamo sopra i 400-500 GeV) il tasso di produzione (la "sezione d'urto") del bosone di Higgs inizia a scendere, per cui a parità di numero di collisioni, se l'Higgs ha una massa in quella zone, viene prodotto più raramente. Come se non bastasse, la sua "larghezza" (ovvero, e semplifico molto, quanto bene è definito il valore della sua massa) è sempre più grande, dunque può manifestarsi contemporaneamente in un intervallo pi`u sparpagliato. Se mettete insieme queste due cose, capirete perché servono molti più dati per identificare un potenziale segnale. Poi potremmo discutere su quanto sia credibile nel contesto delle teorie che abbiamo sotto mano un Higgs così pesante, ma questa è un'altra storia.

  8. Claudio E
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 16:03 | Permalink

    Grazie Marco! Sei la fonte migliore della rete! Ormai l'intervallo si restringe sempre più e, cosa molto importante, entro il range ipotizzato dalla teoria. Si sono esclusi un gran numero di valori e il fatto che non si riesca ancora ad escludere proprio il range ipotizzato secondo me è una chiara indicazione. Poi magari scoprirete che non esiste, ma tutti gli indizi portano a lui... io credo che per natale ci farete un bel regalo 😀

  9. Andrea Quintili
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 17:10 | Permalink

    A proposito di indicazioni...c'è chi azzarda le masse alle quali l'Higgs potrebbe "mostrarsi".
    C'è chi scommette sui 119Gev e chi sui 123Gev.
    Per quanto speculativo che ne pensate?

  10. Claudio E
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 17:23 | Permalink

    Beh, la teoria lo colloca nell'intorno di 120 GeV, quindi, se dovessi puntare, io punterei proprio su 120 GeV 😀

    Mi sembrava strano che non fosse ancora cominciato un gioco di scommesse sula valore della massa dell'higgs 😛

  11. Fabiano
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 18:46 | Permalink

    Ma che bella notizia! Un bel grafico aggiornato (anzi, due), quale che sia la forma della curva continua, per Natale sarà di sicuro un gran regalo! 🙂

  12. Andrea Quintili
    Pubblicato il 29 novembre 2011 alle 22:18 | Permalink

    In realtà Claudio, non è proprio un gioco.
    I fisici "puntano" su dei valori non a caso, bensì in base ad una serie di ragionamenti fisico matematici legati alla possibile rilevazione del fantomatico bosone di Higgs.
    E' vero che il campo si è di molto ristretto, ma è altrettanto vero che per quanto la caccia sembri a buon punto, l'Higgs potrebbe non essere lì...ammesso esista.

  13. Claudio E
    Pubblicato il 30 novembre 2011 alle 08:05 | Permalink

    lo so che non è un gioco, ma se i modelli non permettono di prevedere un valore univoco per la massa dell'higgs, puntare su un valore è come giocare, non hai elementi per giustificare quella scelta. In quel senso intendevo gioco di scommesse, i fisici sono dei mattacchioni, non dimenticarlo 😀

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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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