Il ‘cugino’ più pesante del bosone di Higgs

Nel periodo in cui Fabiola Gianotti prende il timone alla guida del CERN in qualità di nuovo Direttore Generale, in carica dal 1° Gennaio 2016, abbiamo di recente letto sul web la notizia secondo cui i fisici che lavorano al Large Hadron Collider (LHC) avrebbero scoperto una “nuova particella” che potrebbe essere considerata una sorta di “fratello maggiore e più pesante” del bosone di Higgs, quest’ultimo considerato solamente una sorta di figlio unico. Ma se si troverà davvero un’altra particella come Higgs, allora dovremo necessariamente riscrivere le nostre teorie per formulare un’idea migliore delle regole che governano il nostro Universo. Facciamo, però, notare che abbiamo detto “se si troverà”: forse è arrivato il momento di fermarci un attimo e di analizzare più da vicino ciò che hanno trovato gli scienziati e ciò che non hanno detto.

Il grande collisore adronico LHC, si sa, è una delle meraviglie scientifiche dei nostri tempi. Le collisioni generate da fasci di protoni che circolano nell’anello di 27 Km a velocità prossime a quelle della luce generano temperature che esistevano all’epoca in cui l’Universo aveva appena un decimo di trilionesimo di secondo, dopo il Big Bang, e permettono di sondare distanze estremamente piccole, dell’ordine di 5 x 10^-20 metri: è davvero una misura talmente piccola rispetto a noi, un po’ come se le nostre dimensioni fossero paragonate allo “spessore” della nostra galassia. Dunque, non è così sorprendente che la comunità scientifica fosse in trepidante attesa nel vedere i risultati presentati al seminario tenutosi al CERN che annunciavano le misure raccolte durante gli esperimenti del 2015. L’annuncio è stato comunque anticipato perchè dopo i primi esperimenti realizzati dal 2010 al 2012, con una energia di collisione pari a 7-8 TeV, l’acceleratore venne spento per circa due anni al fine di eseguire tutta una serie di manutenzioni. Ma nel 2015, LHC ha ripreso le attività con una energia di collisione più elevata: stiamo parlando di 13 TeV, ossia 60% superiore rispetto a quella che ha permesso di rivelare il bosone di Higgs. E poichè nella fisica delle particelle avere più energia vuol dire ottenere una potenziale scoperta, i dati del 2015 potrebbero aver prodotto qualcosa di inaspettato. Ma che cosa?

I nuovi risultati di LHC sono stati presentati alla comunità scientifica il giorno 15 dicembre 2015. Teniamo presente che LHC è semplicemente l’acceleratore e che le misure vengono fatte dai rivelatori. Di questi quattro disposti lungo l’anello, due sono molto più grandi, svolgono delle operazioni multiple e sono stati concepiti per essere in grado di studiare qualsiasi cosa che la natura ci permette di svelare: si tratta di ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid). I due rivelatori sono stati costruiti per analizzare gli stessi fenomeni perciò svolgono simili funzioni. Ad ogni modo, il design è diverso e questo rappresenta una fatto positivo in quanto le misure fatte dai due rivelatori possono essere confrontate. Durante il seminario sono stati annunciati all’incirca 60 risultati, se mettiamo insieme i due esperimenti. Peccato, però, che la maggior parte di essi sono in buon accordo con le previsioni teoriche, perciò questi non sono i risultati a cui gli scienziati erano maggiormente interessati. Ciò che si voleva approfondire erano sostanzialmente le discrepanze. Una cosa è emersa senza alcun dubbio: quando gli scienziati hanno studiato le caratteristiche degli eventi in cui si formano due fotoni estremanente energetici, sembrava che ce ne fossero troppi ad un valore di energia nell’intervallo tra 700 e 750 GeV, di poco superiore a 5 volte l’energia associata al bosone di Higgs (circa 125 GeV). Questo è il punto in cui la storia inizia a diventare interessante. Infatti, uno dei modi più significativi attraverso cui è stato osservato il bosone di Higgs è il decadimento in due fotoni, perciò questo lieve eccesso di segnale potrebbe essere un primo indizio dell’esistenza di un Higgs più pesante. Ma chi guarda i dati reali sa bene che questo eccesso non segue perfettamente le previsioni teoriche. Ci sono, di fatto, piccole fluttuazioni statistiche per cui i dati possono essere un po’ sopra e un po’ sotto le previsioni. Ci vuole una certa esperienza e una buona tecnica per determinare statisticamente se un segnale (in eccesso) sia davvero l’indicazione di qualcosa di inaspettato o se invece si tratta di un colpo di fortuna. Un modo per testare questo dato è quello di verificare se entrambi i rivelatori abbiano osservato un eccesso nella stessa posizione: il fatto è che entrambi lo hanno visto davvero. Questa è la ragione per cui siamo interessati ancora di più. Ad ogni modo, quando i fisici di CMS hanno separato i propri dati in due categorie, rispetto a dove i fotoni colpiscono il rivelatore, si è trovato che i due insiemi di dati non concordavano perfettamente. Tuttavia c’erano altre discrepanze. L’eccesso visto da ATLAS copriva un maggiore intervallo di massa rispetto a CMS e nessuna delle misure realizzate dall’esperimento si è mostrata molto significativa, parlando statisticamente. Insomma, i fisici hanno segnato questi piccoli eccessi di segnale come qualcosa da tenere in considerazione e comunque come nulla per cui essere molto entusiasti. Naturalmente, finchè non saranno raccolti più dati, sarà impossibile sapere se queste misure rappresentino realmente un vero e proprio indizio, cioè una chiara evidenza per cui è stato trovato qualcosa di nuovo.

La domanda è: Che succede se questi eccessi osservati dai due rivelatori sono invece reali? Che cosa potrebbero essere? Nel giro di qualche giorno dopo l’annuncio, i fisici sottomisero almeno 10 articoli al server arXiv per spiegare i dati e dopo 9 giorni il numero degli articoli sottomessi diventò addirittura 95. Secondo alcuni fisici, questo segnale, associato ad una ipotetica particella più pesante di Higgs, non è facilmente riconcialibile con la supersimmetria, la teoria preferita dai fisici delle particelle come “naturale” estensione del modello standard. Tuttavia, la maggior parte degli articoli sottomessi tentano di rendere compatibile la particella, che già alcuni hanno denominato col simbolo “S”, proprio con la supersimmetria, forse con la speranza che la stessa teoria possa spiegare una serie di “non scoperte” non solo nell’ambito di LHC ma anche altrove. Altre idee affermano che la presunta particella possa essere una sorta di “cugino più pesante” del bosone di Higgs oppure si potrebbe trattare del gravitone, cioè quella ipotetica particella che dovrebbe mediare l’interazione gravitazionale allo stesso modo con cui i fotoni mediano l’interazione elettromagnetica.

Qual è la conclusione? È difficile dirlo, almeno per ora. L’eccesso potrebbe essere un segnale associato ad una “nuova fisica” e se fosse così sarebbe davvero entusiasmante. D’altra parte, l’eccesso potrebbe essere una fluttuazione statistica destinata a scomparire quando saranno raccolti più dati. Per precauzione, è importante ricordare che nei dati raccolti tra il 2010 e il 2012, sia ATLAS che CMS osservarono un “bump” nello spettro di massa degli eventi in cui furono creati due bosoni. L’eccesso si osservava ad un valore della massa pari a circa 2 TeV. Nei dati del 2015 non c’è alcuna evidenza di “bump”. Perciò, quel particolare esempio di “campanello d’allarme” è svanito rapidamente, sostituito poi da un nuovo segnale associato al cosiddetto “difotone”, cioè una particella di risonanza formata da due fotoni identici: si tratta, forse, della stessa cosa (vedasi First interpretation of the 750 GeV di-photon resonance at the LHC)? Ora, LHC andrà in letargo per i prossimi mesi prima di essere riattivato verso la metà di Aprile. I due esperimenti raccoglieranno più dati sperando di vedere qualcosa di nuovo e reale. Solo il tempo ci dirà se l’eccesso di segnale sarà confermato come una scoperta o se farà parte della lunga lista di fluttuazioni statistiche che così come appaiono allo stesso modo svaniscono. È difficile oggi scommettere se LHC ci fornirà una scoperta entusiasmante come quella ottenuta nel caso del bosone di Higgs, ma ciò che rimane certo è che i prossimi esperimenti ci riserveranno tante sorprese.

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