Il bosone da vicino

Pubblicati gli ultimi risultati ottenuti al Cern sul "bosone di Higgs", le sue caratteristiche sono in accordo con il modello standard.

Mentre l'acceleratore LHC ha ripreso a lavorare a pieno regime, e stavolta alla massima energia per cui era stato progettato, i ricercatori che lavorano ai due esperimenti che nel 2012 hanno permesso di scoprire "la particella di Dio", Atlas e Cms, hanno annunciato di avere ottenuto misure combinate di molte delle sue proprietà, unendo i dati raccolti nel 2011 e 2012 (run precedente a energia ridotta). I nuovi risultati, presentati durante la terza edizione della Conferenza annuale sulla Fisica al Large Hadron Collider ( LHCP 2015), forniscono in particolare la migliore precisione sulla produzione e il decadimento del bosone di Higgs e su come esso interagisce con altre particelle. Tutte le proprietà misurate sono in accordo con le previsioni del Modello Standard, che diventerà il riferimento per le nuove analisi nei prossimi mesi, alla ricerca di nuovi fenomeni fisici.

"Il bosone di Higgs è un fantastico nuovo strumento per verificare il Modello Standard della fisica delle particelle e studiare il meccanismo Brout-Englert-Higgs che dà massa alle particelle elementari", ha detto il direttore generale del CERN Rolf Heuer. "C'è un grande vantaggio nel combinare i risultati di due grossi esperimenti per raggiungere la precisione necessaria al successivo passo in avanti; in questo modo, abbiamo ottenuto in due anni ciò che, con un singolo esperimento, avrebbe richiesto almeno altri 2 anni".

Il grafico qui sotto è un esempio di come sono stati combinati i dati provenienti dai due esperimenti. [ci scusiamo in anticipo per i tecnicismi, il lettore che voglia evitarli può saltare alla parte sottostante!]. Sugli assi del grafico troviamo due parametri legati al bosone di Higgs, si tratta di fattori "free scale" di "accoppiamento vettoriale": κ _V per i bosoni e κ _F per i fermioni [bosoni e fermioni sono le due grandi categorie di particelle che obbediscono a due diverse "statistiche" in base ai valori di spin intero o semintero]. Ora, le due croci blu e rosse (e le corrispondenti "regioni di confidenza" ellittiche che le circondano) indicano i valori trovati per questi fattori, rispettivamente, da ATLAS e CMS presi separatamente. Combinando statisticamente i due risultati, si ottiene un valore più attendibile indicato dalla croce nera, intermedio tra i due precedenti; l'ellisse nera più interna che circonda questa croce indica la zona dove, probabilmente, risiedono i valori "veri" di κ _V e κ _F (con una probabilità del 68% ovvero livello " 1-sigma" come dicono i fisici); l'ellisse nera tratteggiata indica un intervallo di confidenza più stringente (livello " 2-sigma" ovvero una probabilita del 95% di contenere i valori veri). La cosa bella è che il valore predetto dal Modello Standard (indicato da una stella) cade ben al di dentro della prima ellisse, dunque in ottimo accordo con i risultati sperimentali.

Credits: CERN / LHC / Atlas / CMS collaborations

Ci sono diversi modi per produrre un bosone di Higgs, e modi diversi in cui esso può decadere in altre particelle. Ad esempio, secondo il Modello Standard, nel 58% dei casi esso dovrebbe decadere immediatamente in una coppia quark-antiquark, entrambi di tipo bottom. Combinando le loro misure, ATLAS e CMS hanno determinato con precisione inedita i tassi dei decadimenti più comuni. Tali misure di precisione dei "decay rate" sono di fondamentale importanza in quanto direttamente collegate alla forza dell'interazione della particella Higgs con altre particelle elementari, così come alle loro masse. Pertanto, lo studio dei decadimenti è essenziale nel determinare la natura del bosone e qualsiasi deviazione dai valori previsti dal Modello Standard avrebbe messo in discussione il meccanismo Brout-Englert-Higgs.

"Questo è un grande passo avanti, sia per la meccanica delle combinazioni che nella nostra precisione di misura", ha dichiarato il portavoce ATLAS Dave Charlton. "Come esempio, dai risultati combinati il ​​decadimento del Higgs in particelle tau è ora osservato con significatività superiore a 5 sigma, un risultato che non era possibile con CMS o ATLAS da soli".

"La combinazione di risultati di due grandi esperimenti è stata una vera e propria sfida in quanto tale analisi coinvolge oltre 4200 parametri che rappresentano le incertezze sistematiche", ha detto il portavoce CMS Tiziano Camporesi. "Con un tale risultato e il flusso di nuovi dati dal nuovo livello di energia di LHC, siamo in una buona posizione per guardare il bosone di Higgs da ogni angolazione possibile".

I due team avevano già pubblicato, a Maggio, una nuova stima più precisa sulla massa del bosone: m _H=125.09±0.24 Gigaelettronvolt (GeV)*, ovvero 133.3 volte la massa a riposo del protone. Tra l'altro, un valore così basso per la massa del bosone è stato all'inizio una vera sorpresa perchè il Modello Standard sembrava suggerire valori compresi tra 135 e 140 GeV, il che avrebbe garantito da solo una stabilità del nostro universo. Il fatto che l'universo esista con un bosone leggero implica che, presumibilmente, c'è dietro una nuova fisica e forse altri bosoni di Higgs ancora da scoprire. Ad esempio, un modo popolare per estendere il modello standard è una teoria chiamata supersimmetria, o SUSY, che prescrive un minimo di cinque tipi di bosone di Higgs. Anche se per ora la validità di SUSY non è stata dimostrata da LHC, i fisici la verificheranno con grande cura adesso che il collider è ripartito e il tasso di produzione di bosoni di Higgs dovrebbe essere raddoppiato, fornendo basi statistiche ancora più solide!

* La stima, come spesso avviene, è affetta da due tipi di incertezza: quella "statistica" dovuta alla dispersione dei dati (che in questo caso vale ±0.21 GeV) e quella sistematica, dovuta a possibili errori di misura (±0.11  GeV); qui ho sommato le due incertezze usando il metodo della "quadratura", ma sarebbe più corretto esprimerle separatamente. Dato che E=mc ², la massa a riposo andrebbe espressa in GeV/c ² ma spesso il quadrato della velocità della luce è sottinteso; in termini energetici, 1 GeV = 10 ⁹ eV ≈ 1,6·10^-10 J

Note informative: Il CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, è il laboratorio leader mondiale per la fisica delle particelle, con sede a Ginevra. Allo stato attuale, i suoi Stati membri sono Austria, Belgio, Bulgaria, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Israele, Italia, Paesi Bassi, Norvegia, Polonia, Portogallo, Slovacchia, Spagna, Svezia, Svizzera e il Regno Unito. La Romania è un paese candidato all'adesione. La Serbia, il Pakistan e la Turchia sono membri associati. India, Giappone, Russia, Stati Uniti, Unione europea, JINR e UNESCO hanno lo status di osservatori.

Riferimenti: http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/09/atlas-and-cms-experiments-shed-light-higgs-properties
- https://www.newscientist.com/article/dn23810-happy-birthday-boson-six-outstanding-higgs-mysteries/#.UdtIKz7TX-I