Tevatron: colpo di precisione

Dalla massa del W a quella dell’Higgs

di Andrea Signori

Il mese di marzo 2012 si è aperto con una buona notizia proveniente da oltreoceano. Le collaborazioni CDF e D0, attive presso il Tevatron, l’acceleratore di particelle situato al Fermilab di Batavia, nell’Illinois, hanno stimato la massa del bosone di gauge W con la migliore precisione di sempre (2 parti su 10 mila). Che il bosone W avesse una massa di circa 80 GeV non è certo una novità. L’importanza dei risultati di queste ricerche è ben espressa dal commento di Rob Roser, uno dei portavoce della collaborazione CDF: “These results indicate that, if the Higgs boson exists, it should be right where we are looking”. Infatti l’estrema precisione dei nuovi risultati, combinata con gli ultimi dati relativi alla massa del quark top, pone un nuovo limite superiore alla massa del bosone di Higgs, compatibile con le misurazioni già effettuate sia al CERN sia al Fermilab.

Il detector della collaborazione CDF. (Cortesia: Fermilab)

Il bosone di gauge W, nelle sue due versioni a carica positiva e negativa, è uno dei mediatori della forza debole insieme al bosone Z. I fisici del Fermilab, in collaborazione con altri gruppi teorici e sperimentali sparsi per il mondo, hanno stimato la sua massa da esperimenti di Drell-Yan: produzione di coppie di leptoni da collisioni di adroni e protoni, in questo caso. La massa è stimata attraverso procedure di best fit dei modelli sui dati sperimentali: utilizzando opportuni codici informatici, le collisioni vengono simulate e i risultati così ottenuti vengono poi confrontati con quelli “veri”, raccolti dai detector sperimentali (per la cronaca, HORACE, uno dei codici Monte Carlo fondamentali per la simulazione e l’analisi dei dati sperimentali utilizzati dalla collaborazione CDF, è stato sviluppato dal gruppo di Fisica delle Alte Energie e Sistemi Complessi dell’Università di Pavia). La massa è un parametro libero nei codici, il cui miglior valore viene stimato adattando i dati sperimentali a quelli teorici (minimizzando il chi-quadro, per gli amici). Così facendo, il best value ottenuto per la massa del W è di 80’387 +/- 19 MeV.

La “ricaduta pratica” di questo risultato è un limite superiore di 145 GeV per la massa del bosone di Higgs. Questo metodo indiretto (che non studia le proprietà dell’Higgs dai suoi prodotti di decadimento) è compatibile con i risultati di tutte le altre più importanti stime dirette: maggiore di 114 GeV dai dati del LEP, minore di 127 GeV secondo le analisi dell’LHC, minore di 156 GeV per il Tevatron.

“Questo risultato illustra il grande contributo che il Fermilab ha fornito e contribuirà a fornire con l’analisi dei dati sperimentali accumulati negli ultimi anni”, commenta Pier Oddone, direttore del Fermilab. “La precisione della misurazione effettuata è senza alcun precedente nella storia e, attraverso l’implicazione sulla massa dell’Higgs, contribuisce a testare il Modello Standard, la teoria più accreditata per descrivere il mondo in cui viviamo”.

Ulteriori miglioramenti nell’analisi degli esperimenti di tipo Drell-Yan potrebbero venire dai futuri sviluppi nello studio delle distribuzioni dei quark negli adroni (le cosiddette “densità partoniche”). Infatti ben 10 MeV di errore sulla massa del W sono riconducibili alle incertezze insite nell’attuale grado di conoscenza delle parton distribution function utilizzate nella simulazione degli esperimenti.