Aspen 2013, giorno 4: i fotoni di CMS, il bosone è un bosone di Higgs

Giovedì mattina il nervoso era completamente passato. Se c'è una cosa che non sopporto alle conferenze, sono i relatori che leggono stentatamente dalle slide proiettate sullo schermo. Da parte mia, provo e riprovo la presentazione fino a quando il contenuto non esce fluido, naturale, senza bisogno di puntelli. Il che normalmente significa che il giorno prima sono nervoso come un attore la sera precedente alla prima rappresentazione, ma che il giorno dopo mi scende addosso una calma atavica, quasi zen. Sono pronto.

La mattina di giovedì inizia con una serie di presentazioni di teorici, tra i quali Massimiliano Grazzini, con il quale ho già interagito nel passato. Grazzini ci ricorda come non sia banale misurare lo spin – una proprietà che assomiglia molto al momento angolare - della nuova particella che abbiamo scoperto. Da una parte, siamo in difficoltà perché le selezioni sperimentali modificano proprio le proprietà angolari dei prodotti di decadimenti (per esempio, i due fotoni), spesso tanto da diminuire in modo drammatico la nostra capacità di distinguere tra scenari diversi: per dire, proprio se abbia spin 0 (come un bosone di Higgs) o spin 2 (come un gravitone). Dall'altra, perché non abbiamo una teoria chiara che descriva le proprietà di un bosone a spin 2: a seconda di come questo verrebbe prodotto, le proprietà angolari delle particelle in cui decade potrebbero essere anche molto simili a quelle di un bosone a spin 0. È l'introduzione perfetta ai nuovi risultati di ATLAS che mi preparo a presentare.

Da dicembre a oggi, ATLAS ha analizzato tutti i dati raccolti nel 2012, accumulando tutti i possibili decadimenti in due fotoni provenienti dal bosone scoperto l'anno scorso. Con la somma dell'intera statistica raccolta nel 2011 e nel 2012, la significanza del segnale osservato è cresciuta a ben 7 sigma, grazie anche all'analisi migliorata. La quantità di dati a disposizione, e un duro lavoro sulla comprensione delle proprietà del rivelatore,  ci ha permesso di misurare con maggiore precisione la forza del segnale osservato, e di farlo separandone i diversi modi di produzione. Se ricordate, una delle ragioni per cui il decadimento in due fotoni era sotto i riflettori di tutti, era legata al fatto che nell'estate 2012 sia ATLAS che CMS avevano osservato un ritmo di disintegrazione superiore a quello previsto dal Modello Standard. Niente di cui eccitarsi, per carità, ma il fatto che il fenomeno fosse apparentemente consistente nei due esperimenti rendeva le cose intriganti. Studiando l'intero pacchetto di dati raccolti nel 2012, ATLAS conferma questo eccesso di decadimenti in due fotoni, 1.6 volte più frequente di quanto vorrebbe il Modello Standard. Si tratta di nuova fisica, o soltanto di una fluttuazione statistica? L'effetto corrisponde a una deviazione dal Modello Standard pari a 2.3 sigma, dunque una fluttuazione resta un'ipotesi assolutamente credibile. A questo punto, molto dipende molto da quello che osserva CMS nello stesso canale.

Ma prima di passare a CMS, due parole sullo spin. Ad ATLAS abbiamo effettuato la misura delle proprietà angolari dei due fotoni, nella speranza di poter distinguere tra le ipotesi che la nuova particelle abbia spin 0 oppure 2 (il solo fatto che decada in due fotoni mette fortemente fuori gioco l'ipotesi che abbia spin 1, per via del teorema di Landau-Yang). Se osservassimo soltanto i fotoni che provengono dal decadimento del bosone, le cose sarebbero semplici. Il problema è che questo fotoni sono annegati nella marea di quegli altri che rappresentano il rumore di fondo: questi ultimi danno fastidio tanto quanto si tratta di isolare un segnale, tanto quando ne si vuole misurare le proprietà. Con tutti i dati a disposizione, e facendo delle ipotesi molto precise su come venga prodotto un eventuale bosone a spin 2, siamo ormai in grado di dire che questa ipotesi è esclusa con un ottimo livello di confidenza: i dati sembrano privilegiare l'ipotesi che la nuova particella abbia spin 0. Se le ipotesi sui modi di produzione cambiano, allora l'esclusione dell'ipotesi di spin 2 diventa meno stringente, ragione per la quale è sempre bene restare cauti. Ma le evidenze a favore del fatto che questa particella sia proprio un bosone di Higgs si accumulano. Applausi, qualche domanda da parte dei teorici e di un collega di CMS interessato ai dettagli tecnici dell'analisi, di nuovo applausi. Il talk è andato bene, sono contento e soddisfatto, posso finalmente rilassarmi.

Torniamo a CMS. Anche i nostri colleghi hanno analizzato tutti i dati raccolti nel 2012, isolando tutte quelle coppie di fotoni che potrebbero venire dal decadimento del bosone di Higgs. Come appaiono le cose dalle loro parti? La situazione è particolare, e spiega perché abbiano esitato così tanto a rendere questi risultati pubblici. Se nel luglio 2012, analizzano una frazione di dati pari a circa 10 femtobarn inversi, CMS vedeva nel canale in due fotoni un segnale pari a circa 4 sigma, accumulando tutti i dati 2011 e 2012 (circa 25 femtobarn inversi, più del doppio della statistica) il segnale sembra essere sfuggito loro di mano. Invece di crescere, come ci si aspetterebbe dall'aumento dei dati a disposizione, la stessa analisi dell'anno scorso riporta un eccesso pari a 3.2 sigma, quando se ne sarebbero aspettate circa 6. Che cosa è successo? È difficile dirlo, nonostante la povera speaker di CMS sia stata bombardata di domande, e la discussione sia proseguita a lungo, durante la sessione, nel pomeriggio e in serata. Quello che si sa è che CMS nell’autunno 2012 ha introdotto una nuova calibrazione, per tenere conto della variazione nel tempo della risposta dei cristalli del suo calorimetro elettromagnetico. Apparentemente (ma mancano veramente i dettagli – i colleghi sono stati laconici a dire poco - per cui prendete questa cosa con una certa cautela) questa nuova calibrazione, che dovrebbe migliorare le performance del rivelatore, ha un qualche effetto perverso sui dati.

CMS ha presentato anche  un'analisi alternativa, meno sofisticata dal punto di vista del trattamento dei dati e della statistica, che dà un risultato diverso (ma compatibile) dall'analisi ufficiale, più lusinghiero in termini di intensità del segnale (3.9 sigma) ma sempre basso rispetto ai risultati dell'estate scorsa. Sono molte le domande che restano aperte: la calibrazione del calorimetro è veramente responsabile del cambiamento? Se si, che risultato dà allora l'analisi dei dati usati per l’annuncio dell'estate 2012, se si usa la calibrazione nuova? O è forse l'analisi statisticamente sofisticata ad aver giocato un brutto scherzo? È stata sufficientemente validata sui dati, prima di essere messa al lavoro per il risultato finale? Molte di queste domande sono rimaste senza risposta durante la conferenza, ma sono sicuro che i colleghi di CMS se le siano poste (insieme a moltissime altre) prima di decidere di rendere pubblico il risultato. La documentazione di supporto all'analisi purtroppo non è ancora disponibile, speriamo che nei prossimi giorni ci veda dato qualcosa di più corposo da masticare.

Devo dire che, nonostante un certo riservo (per non dire reticenza!) da parte dei colleghi nel divulgare i retroscena dell’analisi, ho apprezzato la scelta di CMS di rendere pubblici i risultati, per quanti non lusinghieri (è chiaro a tutti che una discesa simile del segnale mette in un ottica ben diversa il loro annuncio della scoperta nel luglio 2012). Ed è anche encomiabile il fatto che abbiano scelto di mostrare i risultati di entrambe le analisi: qualcuno avrebbero potuto immaginare di mostrare solo il risultato migliore, e nascondere sotto il tappeto l'altro. Chiaramente non è un questo modo in cui procede la scienza: la scelta del metodo si fa prima di guardare i risultati, e tocca attenercisi, qualunque cosa si ottenga. Detto questo, sono anche piuttosto sicuro che questo non sia il punto finale della storia, e che nei prossimi mesi sentiremo ancora parlare dell'analisi in due fotoni di CMS. Non mi stupirei affatto se entro la fine dell'anno uscisse una nuova versione dell'analisi, una volta che un  qualche problema recondito e impensato sia stato magari individuato. Vedremo.

Quello che è chiaro a questo punto, è che l'eccitazione per l'eventuale eccesso di decadimenti in due fotoni si è ben sgonfiata. Il risultato di CMS, che misura un'intensità del segnale assolutamente compatibile con il Modello Standard se non più bassa, mette in un luce ben diversa il risultato di ATLAS. L'ipotesi di una fluttuazione positiva sembra decisamente più probabile della presenza di nuova fisica. Cosa che naturalmente ha gettato nello sconforto una buona dose di teorici qui ad Aspen, che fino a ieri cercavano di propagandare la loro ricetta più o meno esotica per spiegare l'eccesso.

Dall'altra parte, però, il risultato ha dato coraggio al CERN, che in un mossa di chiaro marketing scientifico, all'annuncio dei risultati di CMS se ne è uscito con un comunicato stampa che afferma senza troppi mezzi termini che la particella che abbiamo osservato nel 2012 è un bosone di Higgs. In effetti, le evidenze sono sempre più stringenti, e anche i pochi segni di deviazioni dalle predizioni stanno rientrando ad uno ad uno. Il Modello Standard resta vincitore indiscusso sul campo, e di fisica nuova all'orizzonte non se ne vede ancora. Certo, resta tutta la sottigliezza tra il dire che abbiamo trovato un bosone di Higgs, invece che il bosone di Higgs: la differenza racchiude tutta la forza dell'incertezza di un risultato scientifico. Fino a quando non avremo la certezza che questo oggetto sia l'unico (e solo la misura precisa dei suoi accoppiamenti con le varie particelle ce lo dirà), manterremo l'articolo indeterminativo.

Nell'attesa, e soprattutto pregustando i talk conclusivi di domani, me ne vado a sciare a Snowmass. Penso di essermelo meritato.