I risultati 2011 sulla ricerca del bosone di Higgs non sono più preliminari

Dopo un quasi due mesi di lavoro aggiuntivo, e dopo aver superato qualche difficiltà tecnica e una leggera dose di negoziati tra i due esperimenti, ATLAS e CMS hanno pubblicato ieri i risultati delle ricerche del bosone di Higgs presentati nell'ormai famoso seminario del 13 dicembre.

Cosa c'è di nuovo? Non molto: se i risultati resi pubblici a metà dicembre erano preliminari, questi ultimi appena pubblicati di fatto sono soltanto la loro versione definitiva. Nel frattempo ci sono stati controlli e verifiche incrociate, ma la sostanza delle analisi non è cambiata, né lo sono i risultati, perlomeno non in modo sensibile. Ovvero: ATLAS continua a vedere un eccesso di eventi nella regione intorno a 120 GeV, eccesso che sembra apparire in modo coerente almeno in due possibili canali di decadimento del bosone di Higgs; CMS continua a vedere una serie di eccessi di entità inferiore a quelli di ATLAS, e apparementemente meno coerenti rispetto al valore di massa a cui corrisponderebbero.

Lo potere vedere bene da questi grafici cumulativi di tutte le analisi dei due esperimenti: sull'asse orizzontale ci sono i possibili valori della massa di bosone di Higgs, in quello verticale una variabile che misura quanto è propobabile che l'osservazione sia compatibile con il solo rumore di fondo, variabile che è prossima a 1 (100%) nel caso l'osservazioni assomigli del tutto al fondo, e diventa sempre più piccola quando l'osservazione sembra discostarsi dall'ipotesi del solo rumore.

Ci sarebbero parecchie cose anche piuttosto tecniche da discutere questi risultati. Per esempio, il fatto che CMS abbia aggiunto alla propria analisi del decadimento H\to\gamma\gamma una particolare topologia di produzione (detta di Vector Boson Fusion -VBF - ovvero di fusione di bosoni vettori, che sono il W o la Z) in cui il bosone di Higgs sarebbe prodotto in associazione con due jet di adroni, con un diagramma di questo tipo:

Si tratta di una modalità di produzione ancora più rara di quella dominante, e il fatto che CMS sembri vedere un tenue eccesso di eventi con questo particolare topologia - molti di più di quanti ce ne si aspetterebbe da un bosone di Higgs del Modello Standard - potrebbe essere l'indicazione della presenza di qualcosa che non si comporta esattamente come previsto dal MS, o anche - la possibilità esiste, purtroppo - di qualcosa di non perfettamente compreso nell'analisi. Ma fino a quando ATLAS non renderà pubblici i risultati nella stessa modalità di produzione, non mi spingerò oltre nel commentare.

In teoria, il prossimo appuntamento saliente prima che LHC ricominci a sformare collisioni è la conferenza di Moriond (cha ha luogo da anni a La Thuile in Italia, ma che continua a chiamarsi "di Moriond" perché i francesi sono notoriamente gelosi). Visto come avanzano le cose, non credo però avremo nessun aggiornamento clamoroso in quell'occasione, e solo i dati presi nel 2012 smuoveranno un po' le acque.

A proposito, questa settimana c'è il Workshop di Chamonix, quello in cui i macchinisti di LHC dovrebbero decidere a che energie e in che condizioni LHC dovrebbe girare nel 2012. I lavori finiscono dopodomani, aspetto le conclusioni ufficiali e vi faccio sapere.

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13 Commenti

  1. Bigalfry
    Pubblicato il 8 febbraio 2012 alle 16:38 | Permalink

    Interessante! A quanto pare sono possibili delle sorprese! Avrei tre domande:
    1) le curve praticamente diagonali tratteggiate mi sembrano molto diverse dalle altre. Leggo che sono i risultati attesi(expected), ma sono molto differenti, non solo per il valore di massa di Higgs. Non mi è molto chiaro. 🙁
    2) erm... questa è molto OT. Mi spiego: sono uno studente del liceo che vorrebbe studiare fisica all'università, ma non so quale scegliere. Non so neppure se mi conviene stare in Italia, oppure andare all'estero subito o dopo i primi 2 anni di università. Dato che lei è un fisico, volevo qualche piccolo consiglio. Devo, per caso, scriverle privatamente? Grazie in anticipo e scusi l'OT.

    P.S.: i contatti non funzionano.

  2. Pubblicato il 8 febbraio 2012 alle 17:24 | Permalink

    @Bigalfry: le curve attese ti dicono quale dovrebbe essere il valore di medio p con questa quantità di dati se esistesse un bosone di Higgs con quella particolare massa. Il valore diventa più piccolo per masse più grandi perché in qualche modo sarebbe più facile vedere un bosone di Higgs di grande massa rispetto a uno di piccola massa nella stessa quantità di dati. Il fatto che, nelle zone in cui vediamo un potenziale segnale (intorno a 120 GeV, per esempio), il valore atteso di p sia diverso da quello osservato può voler dire due cose: o siamo in presenza di una fluttuazione (per esempio negativa del fondo, o positiva del segnale), o stiamo osservando qualcosa che non ha esattamente le caratteristiche della particella per cui abbiamo calcolato le curve attese (per esempio, viene prodotta più abbondantemente del previsto).

    (Alla domanda (2) ti rispondo privatamente. La maschera di contatto dovrebbe funzionare adesso, puoi fare una prova? Grazie)

  3. Bigalfry
    Pubblicato il 8 febbraio 2012 alle 18:12 | Permalink

    Adesso funziona!

  4. Luca
    Pubblicato il 8 febbraio 2012 alle 18:13 | Permalink

    Quindi nel 2012 potremmo avere nuove interessanti sorprese. E' un vero piacere leggere il Suo blog. Sfortunatamente in Italia non si dà abbastanza spazio all'approfondimento scientifico.

  5. Mattia
    Pubblicato il 9 febbraio 2012 alle 10:25 | Permalink

    Un paio di domande:
    Rispetto al secondo grafico,
    Se non interpreto male, la linea "nera continua" (che sempre se non sbaglio è combinata fra le due osservazioni di ATLAS e CMS) ha una significatività proprio in corrispondenza del decadimento gg.

    Perchè allora CMS ha aggiunto la produzione VBF se comunque nel decadimento gg convergono entrambi i risultati degli esperimenti?

    In ogni caso la produzione VBF è compatibile con una "massiccia" produzione gg, perchè quindi si dice che c'è - qualcosa di non perfettamente compreso nell'analisi - Quale può essere l'elemento di disturbo?

    Saluti!

    p.s. Ho visto un paio di immagini di Ginevra ricoperta di neve... ti ha fatto faticare?!?!?

  6. Giovanni
    Pubblicato il 9 febbraio 2012 alle 10:44 | Permalink

    Era chiaro prima, ma adesso lo è ancor di più, che si dovrà attendere il 2012 per confermare la scoperta del Bosone di Higgs. Da Chamonix si capirà se si andrà verso una strada più conservativa o si cercherà di spingere un pò di più il LHC. In questa seconda ipotesi la presa dati con la conseguente analisi può essere facilmente sovrapponibile con le precedenti analisi o ciò comporta una difficoltà? Questa difficoltà sarà facilmente superabile o è un'altra incognita che si somma alla difficoltà di portare fuori il segnale dell'Higgs?

  7. Pubblicato il 9 febbraio 2012 alle 10:55 | Permalink

    @Mattia: il vantaggio di studiare la produzione VBF associata al decadimento in due fotoni è che il fondo (la produzione QCD di due et e due fotoni) è molto piccolo, e dunque il rapporto segnale/rumore molto più favorevole rispetto all'analisi inclusiva in cui si guardi solo i decadimento in due fotoni senza preoccuparsi se c'è qualcos'altro nell'evento. Il problema è che, perlomeno nel MS, la produzione VBF è molto rara, dunque vedere un eccesso di eventi troppo consistente dovrebbe far drizzare le orecchie: o si tratta di un segnale genuino ma "esotico" (nel senso che si discosta dal bosone di Higgs del MS), oppure si tratta di fondo mal misurato. E mi fermo, perché anche in ATLAS studiamo la stessa cosa, ma siccome i risultati non sono pubblici non posso discutere oltre.

    (Ghiaccio a Ginevra: si, in effetti il traffico è un po' delirante, ma per il resto si sopravvive)

  8. Pubblicato il 9 febbraio 2012 alle 10:57 | Permalink

    @Giovanni: se dovessi scommettere oggi, direi che andremo quasi sicuramente a 8 TeV. Questo vuol dire che i dati andranno analizzati in modo indipendente da quelli del 2011, e poi i risultati combinati, in modo non dissimile da quando si combinano i risultati di ATLAS e CMS.

  9. Antonio
    Pubblicato il 10 febbraio 2012 alle 11:11 | Permalink

    Da quello che ho letto non dovrebbe cambiare molto passare da 7 a 8 TeV, in attesa dell'upgrade di LHC (speriamo di poterci lavorare!).
    Completamente OT (ma neanche troppo), ma guardate qui:
    http://images.4channel.org/f/src/589217_scale_of_universe_enhanced.swf

  10. Alberto
    Pubblicato il 20 febbraio 2012 alle 19:07 | Permalink

    Ciao Marco, ti faccio alcune domande di "strategia di ricerca" per capire come si procederà in quest'anno per perfezionare l'analisi.

    Infatti, considerato che anche i grafici combinati evidenziano una maggiore evidenza di eventi nel canale di decadimento in due gamma (preferenziale per un higgs "leggero", ipotesi che sembra trovare il maggior riscontro sperimentale) mentre contemporaneamente si evidenzia una scarsità di eventi sul canale H->WW (preferenziale per un higgs con massa superiore a 130GeV), mentre trova comunque un riscontro il canale H->ZZ (anch'esso preferenziale per masse superiori a 130GeV), mi chiedevo in quale direzione procederà la ricerca: si cercherà di ripetere le misure già fatte con un migliore algoritmo di selezione ed un più alto numero di eventi con l'intenzione di isolare uno o due canali "preferenziali" sullo stesso valore di massa mantenendo comunque l'analisi su uno spettro di massa ampio oppure si procederà ad affinare i picchi già ottenuti utilizzando la maggiore energia disponibile nel centro di massa?
    E ancora: qualora nel 2012 non si dovesse isolare un segnale decisivo a 5 deviazioni standard, a cosa ci servirebbe dal punto della teoria aver misurato dei rilievi superiori a tre lambda e mezzo (dai, non possiamo buttarli alle ortiche come l'ultima volta al Tevatron)?

    Ti ho già espresso le mie perplessità sull'opportunità di comunicare prematuramente al pubblico risultati inconcludenti (come a Dicembre 2011, anche se comprendo le motivazioni) ma non riesco a "darmi pace" su picchi così distanti dal fondo.

    Capisco di parlarne "all'uomo sbagliato" ma mi chiedevo se il fisico teorico lavora a braccetto con quello sperimentale durante la fase di analisi in modo da perfezionare i modelli di ricerca; come infatti diceva il mio omonimo "un problema non può essere risolto dal livello di consapevolezza che l'ha generato" ed io credo che (come affermi anche tu) qualche "meccanismo" non sia ancora ben compreso e che senza questa comprensione non si facciano grossi passi in avanti.

  11. Pubblicato il 21 febbraio 2012 alle 16:40 | Permalink

    @Alberto: rispondo un po' al volo, perché per entrare nei dettagli avrei bisogno di più tempo e di uno spazio diverso dai commenti:

    * Tutte le mostre saranno rifatte, in tutti i canali: cambiando l'energia nel centro di massa (saremo a 8 TeV) e le condizioni di pileup sarà necessario provare che possiamo ottenere risultati compatibili. Detto questo, è chiaro che certi canali che sono i più sensibili a bassa massa (H->gammagamma e H->ZZ) rimarranno preferenziali.

    * Gli algoritmi saranno certamente affinati (migliore selezione degli oggetti finali, uso di strumenti statistici più aggressivi, ...), sia per rifare le analisi dei dati 2011 che per i nuovi dati 2012.

    * La questione della combinazione dei dati 2011 e 2012 è delicata. Viste le condizioni diverse, penso che la soluzione più sensata sarà trattare i risultati 2011 e 2012 di uno stesso esperimento come analisi separate (per quanto almeno parzialmente correlate) da combinare un po' come si fa per le analisi di ATLAS e CMS.

    * Dire che cosa succederebbe se un eventuale segnale restasse ancora troppo debole (sotto i 5 sigma) anche combinanti ATLAS e CMS con tutte le analisi 2011 e 2012, è estremamente difficile adesso. Il segnale potrebbe essere inferiore a 5 sigma, ma confermato (per esempio, a 4.5 sigma), confermando la presenza di un fenomeno dall'intensità inferiore al previsto. Oppure potrebbe indebolirsi, avvalorando l'ipotesi della fluttuazione. Gi scenari che si aprirebbero nei due casi sarebbero veramente molto diversi: nel primo caso, noi avremmo bisogno di più dato. Nel secondo, l'esclusione di un bosone di Higgs su tutto il range di massa sarebbe comunque un risultato eccezionale, ma i teorici avrebbero bisogno una nuova scorta di gessetti 🙂 In tutto questo, ovviamente, servirà che ATLAS e CMS ottengano risultati coerenti (lo dico perché immagino che le 3 sigma di Tevatron a cui ti riferisci sono per un presunto segnale visto da solo uno degli esperimenti).

    * Sull'ultimo commento: ovviamente noi sperimentali interagiamo non poco con i teorici, ma tieni ben conto che qui, prima di trovare una giustificazione teorica a un segnale assodato, siamo ancora al livello di confermare un segnale che potrebbe non esserlo. Per questo genere di lavoro i teorici servono a ben poco (anzi, e mi perdonino, più stanno lontano e meglio è! 😛 ).

  12. Alberto
    Pubblicato il 21 febbraio 2012 alle 23:04 | Permalink

    @Marco: ritengo la tua risposta già piuttosto esaustiva (anche se pensi di avermi risposto "al volo") e per questo ti ringrazio sentitamente delle informazioni che hai condiviso, apprezzando come sempre l'ottimo uso che fai dell'ironia anche quando parli di cose serie 🙂 .

    Personalmente, per similitudine al mio impiego professionale, oltre ai risultati della ricerca, sono interessato a come questi vengono ottenuti e quindi all'organizzazione del lavoro all'interno degli esperimenti LHC.

    A mio avviso non sarebbe una cattiva idea (se tu condividi la finalità), illustrare in un prossimo articolo come viene sviluppato il lavoro ad ATLAS o CMS.

  13. Gaetano
    Pubblicato il 7 marzo 2012 alle 15:06 | Permalink

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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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