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La presa dati di LHC del 2016 finisce stanotte

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L'ingresso alla sala di controllo di ATLAS (Foto: CERN)
L'ingresso alla sala di controllo di ATLAS (Foto: CERN)

Intorno alla mezzanotte di oggi gli ultimi fasci di protoni del 2016 smetteranno di circolare e collidere dentro LHC. Il programma delle collisioni protone-protone a 13 TeV, iniziato nel 2015 e continuato con un successo persino maggiore di quello che avevamo sperato, arriva alla fine. Nelle prossime settimane ci sarà ancora un breve run dove verranno fatti circolare e collidere ioni pesanti, per la gioia dei ricercatori di ALICE e di coloro che, in ATLAS e CMS, si interessano a questa fisica particolare. Per tutti gli altri, il bottino saranno i circa 40 femtobarn inversi (quanti saranno veramente alla fine lo sapremo solo tra qualche ora, ma 40 è una previsione e attendibile, visti quanti ne abbiamo già raccolti).

Soltanto nell'ultimo anno, LHC ha raccolto circa il doppio dei dati presi tra il 2010 e il 2012, e a circa il doppio dell'energia nel centro di massa. Siccome la probabilità produrre tracce di fenomeni nuovi aumenta tanto con la quantità di dati (se un fenomeno è raro, tentare di produrlo più spesso aumenta la possibilità di vederlo) che con l'energia (la probabilità che in uno scontro tra due protoni vengano prodotte particelle esotiche rare cresce con l'energia a disposizione), questi dati porteranno risultati mai visti prima. Sia che ci sia qualcosa di nuovo da osservare, o che invece si migliorino le esclusioni di teorie alternative al Modello Standard, la frontiera della conoscenza si sposterà non poco.

Alla fine della presa dati del 2015 c'era stato il famigerato "End-Of-Year-Event", un seminario pubblico di fine anno dove ATLAS e CMS avevano presentato i loro primi risultati. Per quell'occasione, tra l'altro, avevamo lavorato giorno e notte per tirare fuori anche il primo risultato della ricerca di nuove risonanze che decadono in coppie di fotoni, quello che mostrava un eccesso a una massa di 750 GeV, eccesso poi sparito nei primi dati del 2016. Da quello che si dice da queste parti, quest'anno non ci sarà nessun evento di fine anno, e questa è secondo una buona cosa. Per molte delle analisi a cui stiamo lavorando servirà infatti molto più tempo di quello che ci separa dalla pausa natalizia per capire per bene dettagli e incertezze. Fare nuovamente una corsa (dopo quelle a cui ci siamo sottoposti per la fine del 2015, le conference in primavera, e ICHEP quest'estate) non sarebbe una scelta scientificamente giustificata e umanamente sana. Il che significa però che, per vedere qualche risultato nuovo, dovrete pazientare fino alla primavera del 2017. A meno che, naturalmente, non ci sia qualche annuncio clamoroso da fare nel frattempo. Staremo a vedere.

Il seminario di ATLAS e CMS al CERN del dicembre 2015
Il seminario di ATLAS e CMS al CERN nel dicembre 2015

Tempo di approvazione

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Nel caso ve lo foste chiedendo, la ragione principale per cui queste pagine sono così sporadicamente aggiornate negli ultimi tempi è che, prima di poter raccontare qualche nuovo risultato di fisica a LHC, devo contribuire a produrre qualche nuovo risultato. E, come ormai sapete bene, l'estate è periodo di conferenze, e dunque di approvazione di risultati da mostrare a conferenze.

Tanto per dire, in questi giorni sono a Copenaghen per un'ATLAS Week quasi completamente dedicata all'approvazione di risultati da mostrare a - indovinate un po'? - ICHEP. Manco a dirlo, nei giorni (e notti) scorsi ho passato il mio tempo a preparare e ripulire il mio (e di molti altri, of course) pezzettino (presentato e approvato ieri, grazie per l'interessamento). Vi lascio immaginare le occhiaie.

P.S. Naturalmente il bel sole che ha illuminato Copenaghen fino a ieri ha deciso di lasciare spazio alla nuvole proprio oggi, quando, a presentazione fatta, potrei magari anche andare a dare un'occhiata intorno. Devo dedurne qualcosa?

(Photo credit: CERN)
(Il sottocritto è da qualche parte tra la folla, chi lo scova?)

Cosa dovremmo aspettarci da LHC?

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(Questo post è la traduzione di quest'altro, scritto originariamente in inglese per Blogging ICHEP 2010. Grazie a Stephan per la traduzione iniziale, che ho rimaneggiato un po' perché suonasse "mia". Ma quanto è più facile scrivere di fisica in inglese? E quanto è strano tradurre se stessi?)

Giugno sta arrivando, le conferenze estive si avvicinano e i fisici di LHC lavorano febbrilmente per produrre i primi risultati da mostrare.

Nei prossimi mesi tre saranno le principali conferenze dove verranno presentati i risultati degli esperimenti di LHC: la piu vicina è Physics At LHC, che si terrà a Desy in Germania la seconda settimana di Giugno. la seconda è… ehm… ICHEP; la terza è l'Hadron Collider Physics Symposium a Toronto, alla fine di Agosto. I risultati che possiamo aspettarci vengano presentati a ciascuna conferenza sono piuttosto diversi. LHC sta infatti continuamente producendo collisioni protone-protone a 7 TeV: più in là nel tempo è la conferenza, maggiore sarà la luminosità integrata che gli esperimenti riusciranno a usare per le loro analisi.

È possibile tentare di predire che cosa probabilmente mostreranno ATLAS e CMS a ICHEP? Beh, non è banale: anche assumendo una perfetta efficienza dei due esperimenti nel raccogliere i dati e analizzarli, le condizioni dei fasci di LHC migliorano costantemente ogni giorno, e la luminosità integrata raggiungibile a - diciamo - metà Giugno potrà variare di parecchio.

Proviamo invece a fare un esercizio diverso: quali sono i risultati che verranno probabilmente presentati a una qualche conferenza in funzione della luminosità integrata a 7 TeV raccolta, a partire da quel poco che sappiamo essere già stato raccolto dagli esperimenti, fino al 1 fb-1 promesso dalla macchina per la fine della presa dati 2010-2011? Una cautela: quella che segue è una lista sicuramente approssimata, potrei aver dimenticato qualche segnale importante qua e là, e la mia visione delle cose è certamente influenzato dalla mia esperienza in ATLAS. Ecco dunque che cosa otterremo (o cosa abbiamo già ottenuto):

  1. 10-100 \mub-1: qualche milionata di pioni carichi, per rifare serenamente l’analisi della molteplicità delle particelle cariche già pubblicata coi dati raccolti a 900 GeV; qualche decina di J/\psi \to \mu \mu, qualche jet qua e là. Ogni risonanza che può essere vista col tracciatore centrale (come K e \Lambda) a questo punto è stata vista; i segnali di \pi^0 e \eta che decadono in coppie di fotoni sono stati visti e ben isolati.
  2. 100-1000 \mub-1: qualunque sospetto iniziale di un picco di J/\psi \to \mu \mu dovrebbe essere ormai chiaramente visibile;
  3. 1-10 nb-1: sempre più jet. E ovviamente molte più misure legate ai jet.
  4. 10-100 nb-1: qualche decina di W comincia a far capolino tra i dati, i più fortunati potrebbero aver visto qualche bosone Z. Una prima osservazione inclusiva di elettroni diretti dovrebbe essere possibile.
  5. 100-1000 nb-1: jet, jet e ancora jet. Una prima misura inclusiva di muoni diretti dovrebbe essere fattibile. Analogamente, un primo segnale di fotoni diretti dovrebbe essere stato isolato.
  6. 1-10 pb-1: ATLAS e CMS dovrebbero aver raccolto abbastanza W e Z per tentare una prima misura della sezione d'urto di produzione. Potrebbero persino pretendere di aver visto il quark top.
  7. 10-100 pb-1: prime misure di fisica del B, e qualcosa potrebbe già venir detto su qualche scenario teorico esotico, o su qualche punto dello spazio dei parametri delle super-simmetrie.
  8. 100-1000 pb-1: arrivati a questo punto, uno potrebbe anche ottimisticamente sperare in qualche timida notizia sul bosone di Higgs (o meglio, sulla sua esclusione in certe regioni di massa), almeno dove la sensibilità degli esperimenti è maggiore.

Dove ci troviamo oggi? ATLAS e CMS galleggiano intorno al punto 4. (o meglio, entrambi dalle parti della soglia inferiore dei 10 nb-1), e risultati corrispondenti a quella luminosità integrata saranno quasi certamente mostrati a Physics At LHC, insieme con una valanga di studi sul comportamento dei rivelatori e le loro perfomance. La domanda resta dunque: quanta luminosità integrata riuscirà a fornire LHC prima di ICHEP? Visto che questo post è già abbastanza lunghetto, rimando i miei tentativi di previsione a uno dei prossimi. Restate sintonizzati.

What should we expect from LHC?

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(Primo post scritto per Blogging ICHEP 2010. Appena ho un minuto lo traduco, promesso, ma pare che a qualcuno possa interessare già così. Fare le pulci al mio inglese è severamente proibito).

June is coming, summer conferences are approaching, LHC physicists are feverishly working to produce results to show.

In the next few months there will be three main conferences where physics results from the LHC experiments will be presented: the nearest one is Physics At LHC, that will take place at Desy in Germany the second week of June; the second one is, erm... you know... ICHEP; the third one is the Hadron Collider Physics Symposium in Toronto, at the end of August. The kind of results one might expect to be presented at each of these conferences is rather different. The LHC is in fact steadily delivering proton-proton collisions at 7 TeV: the farther in time the conference, the more integrated luminosity the experiments will be able to use for their analyzes.

Could we try to guess what is likely to be shown at ICHEP by ATLAS and CMS? Well, it's definitively not an easy prediction: even assuming a perfect efficiency of the two experiments in collecting the data and analyzing it, the LHC beam conditions are improving every day, and the exploitable integrated luminosity at - let's say - mid July can largely vary.

Let's then try first a different exercise: which results are more likely to be seen at a conference as a function of the integrated luminosity collected at 7 TeV, from the small amount we already know as been secured by the experiments to the 1 fb-1 promised by the machine for the end of the 2010-2011 running? Warning: what follows is a very approximate list, I might have missed important signals here and there, and my judgment is certainly biased by my ATLAS experience. Here's what we'll get (or what we already got):

  1. 10-100 \mub-1: millions of charged pions to happily redo the charged multiplicity analysis published with the 900 GeV data collected in 2009; a few tens of J/\psi \to \mu \mu, a few jets here and there. Any resonance that can be spot using the tracker system (like K's and \Lambda's) has been been seen at this point; signal from \pi^0 and \eta decaying in photons pairs is found and well isolated.
  2. 100-1000 \mub-1: any hint of a J/\psi \to \mu \mu peak should now be clearly visible;
  3. 1-10 nb-1: more jets. And of course more jets-related measurements.
  4. 10-100 nb-1: a few tens of W begins to appears in the data. The lucky ones might have seen a few Z bosons. A first observation of prompt inclusive electrons should be at reach at this point.
  5. 100-1000 nb-1: more and more jets. The first inclusive muon measurements should be feasible. Signal from prompt photons should have been isolated.
  6. 1-10 pb-1: at this point ATLAS and CMS should have secured enough W and Z to dare to attempt a first cross-section measurement. They might be able to pretend to have seen the top quark.
  7. 10-100 pb-1: first B-physics related measurements. Something could already be said about some exotic scenarios, and some SUSY points.
  8. 100-1000 pb-1: at this point, one could even optimistically hope in some timid news about the Higgs boson (exclusion), at least where the sensitivity is higher.

Where do we stand today? ATLAS and CMS are today around point 4. (more around the 10 nb-1 lower end, anyway), and that kind of results will most likely be shown at Physics At LHC together with a lot of performance studies. The question is then: how much more luminosity will the machine be able to deliver before ICHEP? Since this post is already long enough, I will postpone my educated guesses to the next ones. Stay tuned.