Una giornata di bosoni di Higgs

Nel caso ve lo foste perso, è bene che sappiate che ieri si è aperta a Grenoble la conferenza HEP2011 organizzata dall'EPS. Si tratta della più importante conferenza estiva del 2011 nel campo della fisica delle particelle, un po' come ICHEP l'anno scorso. Ed è ancora più importante, perché quest'anno gli esperimenti di LHC hanno avuto a disposizione 1 fb^-1 di luminosità integrata a 7 TeV da analizzare. Se volete guardare di persona le trasparenze delle presentazioni, il programma completo è sul sito della conferenza, e le slide appaiono quasi in contemporanea con i talk.

Oggi è stata una delle giornate più attese: c'è stata infatti la sessione sulla ricerca del bosone di Higgs del Modello Standard, dove per una volta sono stati ATLAS e CMS a farla da padrone, e a mostrare che ormai la mano è passata da Tevatron a LHC. Ovviamente conoscevo bene i risultati di ATLAS - nell'ultima settimana abbiamo fatto le notti a forza di approvazioni e prove delle presentazioni - ma non potevo parlarne pubblicamente fino a che non fossero stati presentati.

Come scrivevo altrove, la ricerca del bosone di Higgs si fa in diversi canali di decadimento, alcuni più sensibili in certe regioni di massa possibile, altri in altre. Sia ATLAS che CMS seguono di fatto una strategia identica: per piccoli valori di massa del bosone di Higgs, tra i 110 e i 150 GeV, lo cerchiamo nel suo decadimento in due fotoni (\(H\to\gamma\gamma\)); nelle regioni di massa intermedia usiamo piuttosto i decadimenti coppie di bosoni W o Z. Siccome a loro volta i bosoni W e Z hanno diversi modi di decadere, alla fine ci ritroviamo con diversi stati finali possibili, anch'essi con una sensibilità diversa a seconda della massa dell'Higgs: tra 110 e 140 GeV possiamo dire parecchio con il decadimento \(H\to WW\to l\nu l\nu\), dove la \(l\) sta per leptone, che può essere un elettrone o un muone; tra 200 e 600 GeV ci dice di più il decadimento \(H\to WW\to l\nu qq\), dove la coppia di quark da origine a due spray di adroni che chiamiamo jet; analogamente, sempre tra 200 e 600 GeV c'è parecchio da scoprire guardando i decadimenti \(H\to ZZ\to ll \nu\nu\) e \(H\to ZZ\to llqq\); il decadimento più sensibile per la scoperta resta però \(H\to ZZ\to llll\) (in varie combinazioni di leptoni: 4 elettroni, o 2 elettroni e 2 muoni, o 4 muoni), che può dire molto per masse del bosone di Higgs variabili tra i 110 e i 600 GeV.

Ognuno di questi canali di decadimento rappresenta un'analisi a se stante, con il suo rumore di fondo particolare e le sue difficoltà tecniche. Alla fine, ognuno dei singoli risultati può essere combinato in un risultato generale dell'esperimento, che nel caso di ATLAS è sintetizzato da questo grafico:

Sull'asse orizzontale c'è la massa ipotetica del bosone di Higgs, mentre sull'asse verticale c'è un numero che misura quale frequenza di produzione e decadimento del bosone di Higgs siamo in grado di escludere per quel particolare valore di massa. Questo numero è misurato in multipli del tasso di produzione predetto dal Modello Standard: in sostanza, se escludiamo numero maggiori di 1, vuol dire che non abbiamo ancora dati a sufficienza per pronunciarci in maniera definitiva (escludiamo sono tassi di produzioni superiori a quelli predetti), mentre se la curva scende sotto l'1 possiamo dire con sicurezza (statistica) che non esiste un bosone di Higgs del Modello Standard con quella massa, altrimenti lo avremmo osservato. Noterete che in realtà ci sono due curve: una curva di esclusione attesa (ovvero predetta dalle simulazioni, tenendo in conto un ritmo di produzione medio sia dell'Higgs che del rumore di fondo), e una di esclusione osservata (cosa abbiamo visto nella realtà nei dati). Le due curve non devono necessariamente coincidere, perché essendo la produzione di una particella un processo statistico, potrebbe succedere fluttuazioni positive o negative (che sono misurate in termini di estimatori statistici dalle bande verdi e gialle). In sostanza, se la curva osservata è sotto la curva attesa, significa che il rumore di fondo osservato è stato un po' meno di quello atteso, cosa che ci permette di pronunciarci su un'esclusione prima del previsto. Se la curva osservata è sopra la curva attesa, potrebbero essere successe due cose: potremmo essere davanti a una fluttuazione positiva del fondo (dunque sfortunatamente più rumore della quantità media che ci aspettavamo), oppure a una nuova particella che sta facendo timidamente capolino tra i dati, non in modo che si possa dichiararne la scoperta, ma sufficientemente da modificare il grafico.

Come potete vedere, il primo scenario è vero per ATLAS per masse del bosone di Higgs tra 285 e 450 GeV: possiamo escluderne la presenza in un intervallo un po' più largo di quello previsto tra 320 e 460 GeV. Il secondo scenario è invece vero per la regione a bassa massa: ci aspettavamo di poter escludere masse tra 130 e 200 GeV, e invece possiamo farlo solo tra 155 e 190 GeV. Perché? Nel canale di decadimento \(H\to WW\to l\nu l\nu\) abbiamo osservato un eccesso di eventi, in più oltre al rumore di fondo previsto, sparpagliato su un largo intervallo; un eccesso più localizzato nel canale \(H\to ZZ\to llll\) è invece responsabile del picco nella curva intorno ai 240 GeV.

Possiamo trarre delle conclusioni? No, non ancora, se non che del bosone di Higgs non c'è ancora nessuna traccia significativa da nessuna parte. Solo un aumento della quantità dei dati potrà dirci se stiamo iniziano a vedere qualcosa, o si tratta solo di rumore di fondo che danza su e giù.

Naturalmente, vedere la stessa curva fatta da CMS potrebbe permetterci qualche considerazione aggiuntiva. È stata presentata oggi pomeriggio a Grenoble, ma le trasparenze non sono ancora disponibili, e io non sono laggiù di persona. Appena sarà pubblica ne riparliamo, promesso.