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giovedì 15 dicembre 2011

I giorni dell'Higgs

Ed eccomi qui, buon ultimo, se vogliamo, con molti commenti, alcuni più illustri di altri, che sono giunti sul web. Per leggerli vi basta arrivare in fondo al post, ma per iniziare bene la lettura, eccovi cosa scrivevo un paio di giorni prima della famosa conferenza:
Non ci sarà alcun annuncio clamoroso, ma solo dei nuovi e più stringenti limiti sulla massa dell'Higgs
La conclusione della conferenza di ieri alla fin fine ha confermato quella impressione. I due seminari, tenuti dai due rappresentanti, i due spokerperson, delle collaborazioni ATLAS e CMS, Fabiola Gianotti e Giulio Tonani, non hanno infatti ancora dato una certezza né presentato un segnale della scoperta dell'Higgs. Sia ATLAS sia CMS hanno proposto i loro nuovi limiti, basati sui dati raccolti nel corso di quasi tutto il 2011, e la sintesi di questi dati è stata tratta nella press release ufficiale del CERN, visto che quella ufficiale dovuta ai due esperimenti uscirà solo dopo la pubblicazione dei dati su rivista scientifica. Questa sintesi, comunque, racconta di un intervallo in massa che va tra i 124 e i 126 GeV.
Ad ogni modo dopo i due seminari mi sono ritrovato a discutere via e-mail con l'amico Salvatore, al momento al lavoro a New York, proprio dei risultati. E Salvo mi ha mandato via e-mail questi grafici, iniziando con i due che riassumono i risultati preliminari di entrambe le collaborazioni, ATLAS e CMS:
Ricordo infatti che l'Higgs è previsto venire prodotto attraverso vari canali differenti:
ed è quindi necessario realizzare anche una sintesi sui dati raccolti nei vari canali studiati.
D'altra parte quella sintesi che i due esperimenti non hanno fatto, hanno provato a farla su facebook ed è il terzo grafico che mi ha inviato Salvo, ovvero la sovrapposizione dei due precedenti:
Accompagnato a questo grafico è anche arrivato il suo commento sulla faccenda:
Non certo un certo giustificato entusiasmo che oggi [ieri per voi che leggete] il CERN ha condiviso con il mondo gli ultimi risultati sulla caccia al bosone di Higgs. Sebbene questi risultati preliminari siano molto promettenti, vorrei unire i ricercatori del CERN nell'invito a maneggiarli con cura. Effettivamente, se si sovrappo0ngono i grafici rilasciati dalle due collaborazioni, ATLAS e CMS, diventa evidente che dove un esperimento (ATLAS) vede un eccessi di circa 2.7 sigma al di sopra del valore atteso dal Modello Standard, l'altro vede solo una sigma di 1.5, ma vede 2 sigma là dove il primo vede quasi nulla. Una combinazione dei risultati dai due esperimenti indipendenti è ancora compatibile con una fluttuazione statistica. Tuttavia i dati della collaborazione ATLAS forniscono una certa speranza che il bosone di Higgs possa essere catturato intorno a quei valori di energia. Per annunciare o meno la "scoperta" abbiamo bisogno di attendere che nuovi dati vengano raccolti. Con l'attuale ritmo di presa dati, credo che la risposta possa essere nota prima della fine del prossimo anno (forse anche prima che il mondo finisca nel dicembre 2012).(1)
Anche io, come Salvo, penso che in un anno (forse due) potremmo avere il primo passo per l'ottenimento della soluzione definitiva sulla riverca dell'Higgs e ci troveremmo sicuramente in uno scenario molto interessante. Infatti nel 2009 Ellis et al.(5) hanno provato a descrivere il destino del Modello Standard in funzione del valore della massa del bosone di Higgs. Il gruppo ha testato i possibili, seguenti scenari: blow-up, collasso, metastabilità, sorpavvivenza(2). Il parametro per distinguere questi scenari è la stabilità del vuoto elettrodebole e se osserviamo attentamente il prossimo grafico, tratto dall'articolo di Ellis e co., possiamo vedere che l'intervallo di massa ufficialmente indicato dal CERN si trova in una regione in cui non solo il Modello Standard può essere considerato salvo, ma c'è spazio anche per della fisica oltre lo stesso MS(3):
Questa sembrerebbe la soluzione più probabile alla ricerca(4), e questo assunto lo baso su una semplice constatazione: il Modello Standard è la teoria meglio verificata al momento esistente in fisica:

Alcune diapositive della presentazione di ATLAS:
Alcune diapositive della presentazione di CMS

(1) La versione in inglese la trovate su Doc Madhattan
(2) Se definiamo la scala di Planck come $M_P \sim 2 \times 10^{18} GeV$, se l'Higgs ha una massa grande abbastanza, l'auto-accoppiamento del campo potrebbe avvenire in una regione non-perturbativa, e questo vuol dire che deve esistere un meccanismo di nuova fisica che deve prevenire questo fatto (scenario blow-up).
Se invece la massa dell'Higgs è sufficientemente piccola, il vuoto elettrodebole potrebbe diventare instabile e collassare in un altro vuoto, e anche in questo caso deve esistere un meccanismo di nuova fisica per prevenire questo collasso.
Nella regione metastabile,
(...) il vuoto elettrodebole ha una vita media più lunga dell'età dell'universo per decadere sia via fluttuazioni quantistiche a temperatura zero (...) sia via fluttuazioni termiche (...).
(3) Nella regione di stabilità il Modello Standard è in grado di sopravvivere, ma c'è la possibilità che non sia il solo modello quantistico per l'universo. Infatti, quando Ellis et al.(5) hanno testato la regione intorno ai 128.6 GeV per la massa dell'Higgs (e questo è il caso dei risultati di ATLAS e CMS), hanno scritto:
Si dovrebbe notare che la regione 'instabile' non è necessariamente incompatibile con la nostra esistenza (...)
Riguardo questa regione potete leggere ulteriori considerazioni su viXra blog.
(4) In questo momento si può immaginare l'esistenza anche di un Higgs nella regione non perturbativa, regione che allo stato attuale non si potrebbe escludere completamente:
Qui forse si potrebbero nascondere delle scoperte molto interessanti, indipendentemente dall'esistenza o meno dell'Higgs. (5) Ellis, J., Espinosa, J., Giudice, G., Hoecker, A., & Riotto, A. (2009). The probable fate of the Standard Model Physics Letters B, 679 (4), 369-375 DOI: 10.1016/j.physletb.2009.07.054 (arXiv).
Un ringraziamento a Peppe Liberti, che mi ha segnalato l'articolo nella discussione sul suo nuovo blog su Focus.

Approfondimenti:
Marco Delmastro
ATLAS sui dati di questa estate
Stefano Bagnasco
Peppe su Focus (ha anche curato il liveblogging)
Massimo Auci su Gravità Zero
Oggiscienza
Makkox
E infine una galleria degli eventi rilevati dal CMS

5 commenti:

  1. Leggo che un bosone a 120 Gev dovrebbe prevedere le particelle SUSY per far funzionare il MS.
    Non se ne dovrebbe aver rilevato qualche traccia durante i run di LHC e CMS ?

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  2. Non so. Altre misure hanno escluso la SUSY, se non ricordo male. E ad ogni modo siamo nel confine sulla regione di esclusione attuale, quindi non è detto che non ci sia un meccanismo ancora diverso da quello della SUSY.

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  3. E' quello che penso anch'io. Ma oltre al meccanismo secondo me occorerebbe ripensare un attimo alla natura localizzat o non localizzata delle particelle elementari, bosone compreso.

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  4. Non so se la questione della localizzabilità sia legata o meno con il bosone e il modello standard. E' sicuramente una questione abbastanza complessa, che era stata l'input iniziale per la generalizzazione di Wawrzycki della teoria delle rappresentazioni proiettive di Bargmann. In particolare il fisico polacco era interessato alla localizzabilità del fotone, e non mi sembrava molto ottimista sul fatto. Se non ricordo male da uno scambio di e-mail di ormai 4 o 5 anni fa avevo capito che addirittura aveva cambiato interessi e campo di ricerca!
    Sicuramente è una piccola storia interessante su cui, magari, ci scriverò su un post (o forse due contando anche il blog su FoS).

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  5. Magari, sarei veramente interessato. Sai cosa Gianluigi ? La mia impressione è che piu' l'energia degli acceleratori aumenterà, meno saranno individuabili particelle elementari localizzate. Queste, infatti, non consentono strutture stabili perchè non potrebbero rispettare, scambiandosi altre particelle localizzate, la legge di conservazione dell'energia a meno di non ricorrere al concetto di particella (o coppie di particelle) virtuale/i che, pero', è reso alquanto "aleatoria" per l'impossibilità di osservazione diretta della particella/e (vedi coppie e+ e- dei diagrammi di Feynman nel vuoto o fotoni virtuali scambiati tra elettroni). D'altronde con particelle localizzate, ho letto dall'interessantissimo link che hai postato sul lavoro di Ellis, un bosone a 120 Gev sarebbe - correggimi se sbaglio - al limite dell'instabilità del vuoto elettrodebole.

    Per esempio nella struttura a tre il confinamento dei quark all'interno dei protoni nei non sarebbe possibile per il semplice fatto che nel momento stesso in cui si scambiassero gluoni (che non possiamo ritenere privi di massa inerziale) rinculerebbero (vedi effetto Moessbauer) e si allontanerebbero l'uno dall'altro come fa una palla da biliardo quando viene colpita dal boccino.

    D'altronde l'ipotesi di De Broglie consente a mio parere di avere una natura ondulatoria anche per il bosone oltre per il camp di energia di cui farebbe cosi' parte. Resta da capire se un tale modello possa risultare compatibile con l'andamento dei grafici che riportano i dati di LHC.

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