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Un misterioso ‘segnale’ nei dati di ATLAS e CMS

Durante il Run 1 è stato osservato un “segnale”, o bump, che sta facendo incuriosire i fisici del Large Hadron Collider (LHC) che lavorano agli esperimenti ATLAS e CMS. Nel mese di Luglio 2014, gli scienziati di CMS lo hanno riportato per primi, ma dato che era troppo debole e insignificante essi lo hanno scartato classificandolo come fluttuazione statistica. Tuttavia, di recente anche ATLAS ha confermato la presenza di un bump all’incirca nella stessa posizione e questa volta si tratta di un segnale più grande e più forte.

Sia ATLAS che CMS stanno sviluppando nuove tecniche di ricerca che hanno lo scopo di migliorare di gran lunga la nostra capacità di trovare nuove particelle“, spiega Ayana Arce della Duke University. “Possiamo cercare segnali di una nuova fisica in una maniera tale che non era possibile prima“. A differenza del picco alquanto pronunciato che ha portato di recente alla scoperta del pentaquark (post), questi due studi sono ancora in fase embrionale. Inoltre, dobbiamo dire che gli stessi scienziati non sono nemmeno sicuri di “ciò” che stanno osservando o se essi stanno osservando davvero “qualcosa“. Se durante il Run 2 questo bump si rivelerà in definitiva un segnale molto nitido e ben definito, allora esso potrebbe indicare l’esistenza di una nuova particella pesante con una massa 2000 volte superiore a quella del protone. Ma se ciò fosse vero, la scoperta di una nuova ed imprevista particella potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione delle leggi della natura. Prima, però, gli scienziati devono escludere le false piste. “E’ un pò come cercare una stazione radio“, dice il fisico teorico Bogdan Dobrescu del Fermi National Accelerator Laboratory e co-autore dello studio. “Man mano che si cerca di sintonizzare la frequenza, iniziamo a sentire le voci della stazione radio, ma non si capisce ancora bene cosa essi stanno dicendo, perciò si continua a sintonizzare finchè non udiamo molto chiaramente le parole“. Sulla scia della scoperta del bosone di Higgs nel primo run di LHC (post), gli scienziati si devono muovere in un ambiente difficile dove i ricercatori sono “affamati”, per così dire, di nuovi risultati basati su dati che vengono raccolti lentamente che allo stesso tempo sono di difficile interpretazione. I dati che si stanno analizzando riguardano dei processi di decadimento particellare attorno a 2 TeV (2000 GeV). “Non possiamo vedere direttamente le particelle che hanno una vita media molto breve, ma possiamo ricostruire la loro massa basandoci su quella che esse producono durante il loro decadimento“, dice James Olsen della Princeton University. “Ad esempio, abbiamo trovato Higgs perchè abbiamo rivelato più coppie di bosoni W, Z e fotoni a 125 GeV rispetto a quanto predetto dai nostri modelli“. Considerando che la particella più pesante del modello standard, il quark-top, ha una massa di 173 GeV, se questo bump è reale e non si tratta di una fluttuazione, esso indica l’esistenza di una particella significativamente più pesante rispetto a quelle previste dal modello standard. Ora, mentre alcune teorie sono dibattute in questa fase proprio sui particolari di questo particolare segnale, la maggior parte di esse concordano, almeno finora, sul fatto che tale bump possa ben descrivere le proprietà di un bosone di gauge estensione del modello standard. I bosoni di gauge sono particelle che trasmettono la forza e permettono alle particelle di materia di interagire. I bosoni più pesanti sono W e Z che trasportano la forza debole. Un’estensione del modello standard predice l’esistenza di particelle similari a più alte energie, cioè versioni più pesanti dei bosoni W e Z note come W’ e Z’. Alcuni modelli, infatti, suggeriscono che il bump a 2 TeV possa essere proprio l’indicazione di un tipo di bosone W’.

Il grafico mostra un aumento nei dati di ATLAS del numero di coppie di bosoni W e Z a 2 TeV. Credit: ATLAS collaboration

Ma i fisici di LHC non stanno di certo facendo le prove per ricevere il Premio Nobel. Questo tipo di segnali sono molto comuni nei dati e quasi sempre si esauriscono quando vengono raccolti più dati. Di fatto, gli scienziati non hanno scritto ancora l’ultima parola sul fatto che si possa trattare in definitiva di una fluttuazione statistica. Più si guarda da vicino e più interessante diventa la faccenda. Spesso, la presenza nei dati di anomalie fa sì che un esperimento riveli un eventuale “segnale candidato” mentre un altro esperimento non lo vede affatto e questa è proprio una indicazione che si tratta davvero di una fluttuazione statistica. Ma in questo caso, entrambi i rivelatori (ATLAS e CMS) hanno riportato indipendentemente la stessa osservazione. E non solo entrambi gli esperimenti vedono il segnale ma lo rivelano all’incirca allo stesso valore di energia dopo aver effettuato diverse analisi. “E’ un pò quello che abbiamo osservato con Higgs“, dice JoAnne Hewett del SLAC National Accelerator Laboratory e co-autrice dello studio. “Il segnale riferito al bosone di Higgs ha iniziato a mostrarsi su alcuni canali proprio come un bump a 2-3 sigma in entrambi gli esperimenti. Ma abbiamo avuto anche delle false piste“.

Il graffico illustra i dati di CMS che riassumono la ricerca di nuove particelle pesanti che decadono in diversi canali. Si osserva un una struttura (bump) attorno a 2000 GeV. Credit: CMS collaboration

Gli scienziati hanno osservato più coppie W-Z che emergono a 2 TeV rispetto a quanto previsto dal modello standard. Ma a parte questo curioso eccesso di eventi, non è stato ancora identificato uno schema ben definito. “I teorici propongono modelli che predicono ciò che saremmo in grado di vedere se ci fosse un nuovo tipo di fisica ad influenzare i dati sperimentali“, dice Olsen. “Perciò, se questo bump è davvero un segnale legato all’esistenza di una nuova fisica, allora i nostri modelli dovrebbero prevedere ciò che dovremmo essere in grado di vedere“. Anche se questo segnale è molto piccolo per essere considerato una vera e propria scoperta, la sua presenza nell’analisi dei dati sia di CMS che di ATLAS è alquanto intrigante e misteriosa. A questo punto, agli scienziati non resta che aspettare pazientemente più dati prima di poter affermare ciò di cui si tratta. “Presto, avremo più dati dal secondo run ed entrambi gli esperimenti saranno in grado di guardare più da vicino questa anomalia“, dice Arce. “Ma credo che saremmo quasi molto fortunati se fossimo in grado di scoprire così presto una nuova particella durante il secondo run di LHC“. Questi risultati saranno presentati alla conferenza dell’European Physical Society (HEP 2015).

Symmetry Magazine: Something goes bump in the data
Résonaances: On the LHC diboson excess
A Quantum Diaries Survivor: The ATLAS 2-TeV ZZ Signal Might Be A Techni-Rho 
A Quantum Diaries Survivor: Those Three Higgs Events Piling Up At 1.8 TeV
arXiv: Search for high-mass diboson resonances with boson-tagged jets in proton-proton collisions at s = 8 TeV with the ATLAS detector
CERN Notes: Search for massive WH resonances decaying to νbb¯ final state in the boosted regime at s=8\,TeV