Habemus Higgs!

“Nuntio Vobis Gaudium Magnum: Habemus Higgs!” Già, sarebbe il caso di parafrasare una famosa frase ricollegandoci a quanto è avvenuto in questi giorni dato che i media stanno spingendo sempre più la notizia che i fisici abbiano davvero scoperto “il” bosone di Higgs. In realtà, per essere precisi dobbiamo dire che i risultati che emergono dagli esperimenti ATLAS e CMS, presentati al recente meeting di Moriond (post), mostrano con una sufficiente evidenza che la nuova particella sia quasi certamente “un” bosone di Higgs e non “il” bosone di Higgs. È importante sottolineare questa differenza dato che i fisici avranno la necessità di avere più dati per capire quale tipo di bosone di Higgs sia stato osservato. Oggi, comunque, possiamo affermare che stiamo avendo a che fare con un tipo di bosone di Higgs.

La situazione sembra analoga a quella che si ha al Vaticano dove in questo momento esistono due papi: uno in carica diremo che potremmo paragonare al nostro bosone di Higgs ufficiale e uno emerito che potremmo invece associare alla nuova particella annunciata dai fisici nell’estate del 2012 (post). Ora, dato che il papa è unico dunque anche il bosone di Higgs dovrebbe essere unico ed uno solo. Infatti, il Modello Standard prevede l’esistenza di un solo bosone di Higgs e finora le proprietà della nostra particella sono compatibili con quelle del bosone di Higgs del Modello Standard. Tuttavia, potrebbe trattarsi di uno dei 5 tipi di bosoni di Higgs che sono stati postulati dalla supersimmetria, cioè dalla teoria che rappresenta una estensione del Modello Standard e che dovrebbe completare in maniera più adeguata la descrizione della struttura della materia fornendo una possibile spiegazione ad una misteriosa componente che domina il contenuto di materia presente nell’Universo e che per nostra ignoranza chiamiamo materia scura.

Uno dei punti discussi al meeting di Moriond riguarda le previsioni del Modello Standard che attualmente fornisce un quadro coerente della fisica delle particelle come noi la conosciamo oggi. Le equazioni del Modello Standard contengono diversi parametri che sono fortemente correlati. Il gruppo di fisici teorici e sperimentali, denominato Gfitter, hanno raccolto i migliori dati che sono stati ottenuti fino ad oggi per inserire i vari parametri determinati sperimentalmente nelle equazioni del Modello Standard. Questi riguardano le masse delle particelle (quark-top, bosoni W e Z) e diversi parametri di accoppiamento che sono quelli associati al tasso di decadimento in particelle più leggere. Questa tecnica viene chiamata “electroweak fit” dato che si riferisce alla miglior descrizione di tutti i parametri della teoria elettrodebole. Questi fit sono stati utilizzati per determinare la massa del quark-top prima che venisse scoperto nel 1995 al Fermilab. L’accordo tra la previsione del modello e il valore misurato è alquanto significativo come è mostrato nella figura. Il grafico illustra le previsioni relative alla massa del quark-top utilizzando un fit simultaneo di tutti i parametri della teoria elettrodebole. La regione in blu rappresenta le previsioni ottenute dal fit e i punti in nero mostrano il valore misurato dagli esperimenti del Tevatron.

Uno dei parametri nuovi ed essenziali della teoria elettrodebole è la massa del bosone di Higgs. Per diversi anni, uno degli obiettivi più importanti di questo fit è stato quello di derivare la massa della particella al fine di guidare, per così dire, i fisici nella “caccia” a questa particella elusiva. Se guardiamo il grafico, possiamo applicare due ‘trucchi’: o utilizziamo tutti i parametri che sono stati misurati e vediamo quali sono i valori previsti per la massa del bosone di Higgs oppure possiamo assumere che la particella annunciata nel 2012 sia il bosone di Higgs per cui utilizziamo la sua massa per controllare se il modello sia autoconsistente. Lo scopo è quello di vedere se tutto rientra nel quadro teorico o se, invece, il modello inizia a deviare. Entrambe le risposte sono mostrate nella seconda immagine. Il punto dove la curva in grigio tocca l’asse orizzontale fornisce la massa più probabile del bosone di Higgs assumendo tutte le altre limitazioni imposte nel Modello Standard da tutti valori che sono stati inseriti nelle equazioni. La larghezza di questa curva dà l’incertezza sul valore della massa. La risposta che si ottiene è di 94 +25 e -22 GeV in accordo, entro 1,3 sigma, con la massa della nuova particella che è circa 125,7 ± 0,6 GeV. Dunque il fit ci fornisce una previsione consistente per la massa del nuovo bosone scalare. La seconda curva, quella blu più stretta e verticale, mostra la previsione del fit se consideriamo il valore sperimentale della massa del nuovo bosone scalare. Se la teoria ha una sua consistenza, il valore della massa del bosone di Higgs dato dal fit dovrebbe essere in accordo con quello inserito nel modello. E di fatto lo è, con un margine d’incertezza più piccolo, e si trova al di sopra del valore che è stato inserito nel fit. Ciò vuol dire che la parte elettrodebole del Modello Standard possiede una elevata autoconsistenza. C’è solo una probabilità pari al 7% che non si abbia l’accordo tra il dato sperimentale e quello previsto dal modello. La differenza è dovuta principalmente a due parametri e cioè la massa del bosone W ed il cosiddetto parametro dell’asimmetria destra-sinistra misurato nei processi di decadimento del bosone Z in quark-bottom. Riducendo ulteriormente le incertezze sui parametri che sono stati utilizzati per il fit, vedremo alla fine se il Modello Standard presenterà delle deviazioni. Come, però, risulta dalla situazione che abbiamo, tutto sembra essere in ordine anche se il modello acquista sempre meno una certa libertà di azione. Questo vuol dire che tali fit potrebbero rivelare alcuni difetti nel modello.

Gli esperimenti condotti presso i rivelatori ATLAS e CMS hanno controllato non solo il valore della massa ma anche i processi di accoppiamento del nuovo bosone scalare. In tutti i casi dove gli esperimenti hanno una certa sensibilità, si è trovato che gli accoppiamenti sono consistenti con il Modello Standard. Ma la verità potrebbe celarsi nelle cose più piccole. Prendiamo, ad esempio, l’intensità del segnale, una quantità che misura quanti eventi si trovano in diversi canali di decadimento in confronto a quelli che sono previsti dal Modello Standard. Il bosone del Modello Standard dovrebbe essere visibile con una intensità del segnale pari ad 1 in tutti i canali. Se, però, esistono delle particelle non ancora osservate queste potrebbero fornire più opzioni nel modo con cui il bosone di Higgs decade e perciò dovremmo iniziare ad osservare più eventi oppure, se esistono altri bosoni di Higgs, potremmo vedere una intensità inferiore del segnale in qualche canale di decadimento. Tra i nuovi risultati che sono stati presentati al meeting di Moriond, l’esperimento CMS ha riportato i dati relativi al decadimento del bosone di Higgs in due fotoni (vedi figura) mentre ATLAS ha osservato il decadimento del bosone di Higgs in una coppia di bosoni W. I dati riportati dai due esperimenti sono: 0.78±0.27 per l’analisi generale e 1.11±0.31 per il doppio controllo secondo il rivelatore CMS; 1.0±0.3 nel canale WW e 1.30±0.21  per tutti canali combinati secondo il rivelatore ATLAS. Dunque, possiamo concludere che i dati sono in ragionevole accordo con il valore 1 come previsto dal Modello Standard. I valori che si differenziano dall’unità possono essere dovuti a fluttuazioni statistiche oppure implicati da una nuova fisica (post). Naturalmente occorreranno più dati per poter definire meglio di che cosa si sta parlando. Insomma, siamo sulla buona strada ma il percorso da fare è ancora lungo. Oggi, però, possiamo dire che abbiamo a che fare con “un” bosone di Higgs, ma non sappiamo con certezza quale è tra i cinque previsti dalla supersimmetria.




L’intervento di Fabiola Gianotti al Rencontres de Physique de la Vallée d’Aoste del 28/02/2013

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