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.

ASPEN_ATLAS_Hgg_1

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.

ASPEN_ATLAS_Hgg_2

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.

ASPEN_CMS_Hgg_p19

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.



ASPEN_CMS_Hgg_p20

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.

2013-03-14 15.43.35

 

 

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17 Commenti

  1. Robo
    Pubblicato il 18 marzo 2013 alle 09:45 | Permalink

    Spero sempre che i miei commenti non appaiano troppo ingenui e le domande troppo puerili visto che non sono un addetto ai lavori, ma dopo questa tua serie di posts non posso fare a meno di provare un senso di meraviglia per ciò che state facendo. Uno sforzo congiunto di cervelli (i migliori), che mira, usando gli strumenti di "produzione" e misura più performanti al mondo, a svelare la verità della materia, o, almeno, avvicinarsi ad essa. Un brain-storming collettivo e selezionato nello stesso tempo che produce risultati che, pur nella grande eco mediatica che ottengono, sono realmente compresi (pur con varie sfumature), nelle loro implicazioni, da pochi. Buon lavoro.

  2. Matteo
    Pubblicato il 18 marzo 2013 alle 09:53 | Permalink

    Insomma, ATLAS sulla base di 1.6 dati in eccesso rispetto a quelle attesi, dal grafico sembrano un migliaio e dovrebbero essere 600, deduce che lo spin è 0. CMS “ricalibra” e dice che i dati sono anche inferiori a quelli attesi. Conclusione, CMS ha certamente ragione: è un bosone di Higs, Atlas ha certamente ragione: è un bosone di Higgs.

  3. Federico
    Pubblicato il 18 marzo 2013 alle 16:49 | Permalink

    Ciao Marco, prima di tutto complimenti per l'ottimo lavoro divulgativo che stai svolgendo per l'Italia, ne abbiamo proprio bisogno!

    Una domandina: quando si fa una nuova calibrazione tutti i dati vengono normalmente rianalizzati? E poi, la nuova calibrazione è frutto di un qualche recente sviluppo tecnologico/teorico? Se non lo fosse, perché non l'hanno utilizzata da subito?

  4. bob
    Pubblicato il 19 marzo 2013 alle 20:24 | Permalink

    E anche se il girellone è fermo, c'è chi ha ricominciato a produrre lavoro.
    LHC@Home ha delle wu, per chi volesse contribuire!!

  5. Gaetano
    Pubblicato il 20 marzo 2013 alle 15:59 | Permalink

    Marco,
    sono sicuro che l'hai già spiegato e dovrei andarlo a cercare, ma se l'Higgs si trasforma in due fotoni che fine fa la massa?
    Grazie (se è più semplice va bene anche un link)

  6. kerubyno
    Pubblicato il 20 marzo 2013 alle 16:24 | Permalink

    alla tua domanda mi verrebbe da dire che la massa sparisce....in realtà sono solo curioso di vedere cosa ti risponde il prof...

  7. Fabiano
    Pubblicato il 20 marzo 2013 alle 18:35 | Permalink

    @Gaetano, @kerubyno: ragazzi, non ci vuole il prof per rispondere alla vostra domanda 🙂 Basta ricordare la formuletta E=mc^2.
    L'energia può trasformarsi in massa e la massa in energia. Quindi tutta la massa del nostro caro bosone si trasforma in due fotoni altamente energetici. Nulla appare, nulla sparisce, tutto si trasforma. 🙂

  8. Pubblicato il 21 marzo 2013 alle 07:55 | Permalink

    La risposta di Fabiano è corretta, al limite la formula andrebbe estesa, che quella famosa di Einstein vale solo per i corpi a riposo. Ne avevo scritto con un'analogia geometrica qui:

    http://www.borborigmi.org/2008/10/28/massa-velocita-energia-la-formula-piu-famosa-del-mondo-e-il-teorema-di-pitagora/

  9. Fabiano
    Pubblicato il 21 marzo 2013 alle 18:49 | Permalink

    @Marco: ma io pensavo come sistema di riferimento al centro di massa del bosone 😛

  10. simpaticone
    Pubblicato il 31 marzo 2013 alle 17:54 | Permalink

    dove si trova aspen?

    sugli... aspennini

    hauhauhauaha

  11. Davide
    Pubblicato il 12 aprile 2013 alle 03:01 | Permalink

    Ciao Marco, ti scrivo perché mi servirebbe un consiglio.
    Sono alla fine del quarto anno di liceo (che ho passato negli stati uniti) e l'anno prossimo dovrò decidere in quale università andare.
    Sono sempre stato indeciso fra fisica ed ingegneria, ma negli ultimi tempi protendo di più verso fisica.
    Qui negli USA, mi sono informato chiamando alcuni professori italiani che insegnano in college americani, e mi hanno tutti consigliato di fare l'università in Italia e poi eventualmente di provare negli USA per il phd.
    Io abito vicino a Milano, qual è una buona università per fisica?
    Bicocca o Statale o altro?

  12. Fabio
    Pubblicato il 12 aprile 2013 alle 18:31 | Permalink

    ciao Davide,
    nell'attesa che il padrone di casa ritorni, forse ti posso dire qualcosina io, visto che si parla di luoghi che più o meno ho frequentato in prima persona 🙂
    Secondo il mio modestissimo parere, dal punto di vista della formazione di base in Fisica, sono entrambe Università validissime e sicuramente tra le migliori a livello italiano. Io ho fatto triennale e specialistica a Milano-Bicocca e non mi sento di aver seguito un percorso di livello inferiore rispetto ai colleghi europei o extra-europei che ho poi incontrato.
    Se hai già delle idee chiare su quello che vorresti fare in futuro, forse potresti dare un occhio alle linee di ricerca che si seguono nelle due Università e scegliere in base a quelle. Ma, onestamente, mi sembra un filo prematuro (e comunque tieni presente che nulla ti vieta di cambiare più avanti, per la laurea specialistica ad esempio)
    Consiglio: tieni controllato i siti di Università e Dipartimento per sapere le date dei vari Open-Day. È una bella occasione per "toccare con mano" la vita in Dipartimento e fare due chiacchiere con chi ci lavora. In questo modo sarà più facile farti un'idea tua e prendere poi la decisione finale!

  13. Davide
    Pubblicato il 12 aprile 2013 alle 21:46 | Permalink

    Grazie Fabio per il consiglio!
    Posso chiederti che carriera hai scelto?

  14. Fabio
    Pubblicato il 13 aprile 2013 alle 00:56 | Permalink

    Ho cominciato da qualche mese un PhD in fisica delle particelle in una Università tedesca (stesso indirizzo alla specialistica, la triennale invece é abbastanza generale come ti dicevo, anche se all'ultimo anno entrano in gioco degli esami a scelta e i percorsi si differenziano un po')

  15. Pubblicato il 15 aprile 2013 alle 07:07 | Permalink

    Ciao Davide, e scusa il ritardo nella risposta, è un periodo complicato.

    Allora, iniziamo con il dire che io ho fatto il Dottorato a Milano Statale, per cui ho pregiudizi in entrambi i versi verso quella sede. Fatta la premessa, condivido l'opinione di Fabio: entrambe le sedi sono ottime, e il discrimine principale potrebbe essere la scelta del gruppo con cui fare la la laurea specialistica (i gruppi e gli esperimenti hanno una loro collocazione "storica" da una parte o dall'altra, per dire: il gruppo ATLAS sta in Statale Via Celoria, quello di LHCb, se non sbaglio, da anni si è trasferito a Bicocca). Ma per iniziare (esami generali e laurea triennale) le due sono probabilmente equivalenti.

    Buona fortuna!

  16. Pubblicato il 20 luglio 2013 alle 22:31 | Permalink

    Ma se il fotone (m=0) raggiunge la velocità della luce, una particella con massa negativa come si comporta?
    la velocità di luce è una costante universale (indicata con c): è sempre pari a circa 300.000 km/s nel vuoto. Ma perché proprio la luce? Perché la luce è impacchettata all’interno di una particella, il fotone, che non ha massa. Una conseguenza dalla nota equazione E=MC2 è che un qualsiasi corpo accelerato alla velocità della luce (c) dovrebbe aumentare la sua massa (m) all’infinito e richiedere un’energia necessaria per accelerarlo (e) infinita, entrambi cose impossibili. Il problema non si pone con il fotone, che non ha massa e quindi ha una velocità che è la massima raggiungibile nel cosmo: qualsiasi altra particella dotata di massa, dunque, deve necessariamente muoversi a una velocità inferiore.
    Essendo stato verificato il bosone di Higgs, che da massa alla materia, è possibile fare qualcosa del genere, tipo togliere massa e renderla negativa? Spiegando così l'interazione quantistica?

  17. Pubblicato il 21 luglio 2013 alle 14:57 | Permalink

    Caro Marco, mi sembra che abbiamo le idee un po' confuse.

    Il fotone viaggia sempre alla velocità della luce (perlomeno nel vuoto): il fotone *è* luce (e dunque non ha molto senso dire che "la luce è impacchettata all'interno di una particella"). Se vogliamo essere un po' più complicati, diremo piuttosto che il fotone è il quanto del campo elettromagnetico, ed il suo essere senza massa discende dalle proprietà dell'interazione che media (o viceversa).

    Quanto alla "massa negativa", temo che sia una boutade, vero? Che cosa intende? A che sappiamo, non esistono particelle con massa negativa, ammesso che la cosa significhi qualcosa (lo fa, in certe teorie particolarmente esotiche, ma dubito che lei si riferisse a queste).

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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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