La massa del W e il Particle Data Group

Questo post partecipa alla 29.ma edizione del Carnevale della Fisica di Marzo 2012 ospitato da Marco Casolino

Il punto di partenza è il modello standard delle particelle elementari. Esso è costituito da quattro interazioni fondamentali: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole. In particolare quest'ultima è responsabile dei decadimenti radioattivi e della fusione dell'idrogeno nelle stelle. I bosoni di questa interazione (ovvero le particelle scambiate tra i due fermioni che stanno interagendo) sono $W^\pm$ e $Z$. Un esempio di interazione debole è il decadimento del pione $\pi^+$:

Questi tre nuovi tipi di bosoni vennero predetti da Glashow, Weinberg e Salam⁽¹⁾ e quindi scoperti al CERN nel 1983 grazie a una serie di esperimenti condotti da Carlo Rubbia e Simon van der Meer⁽²⁾. Da pochi giorni, però, grazie a una delle ultime analisi provenienti da dati del Tevatron, siamo in possesso di un nuovo valore della massa del $W$ da aggiungere a quelli fin qui collezionati. A proporre la nuova misura è l'esperimento CDF: \[M_W = (80.387 \pm 0.019) GeV\] Combinando questo valore con le altre misure in nostro possesso, si arriva al valore preliminare definitivo che dovrebbe (il condizionale è d'obbligo) essere pubblicato sul Particle Data Group:

E' molto importante, infatti, capire che il valore di $(80.390 \pm 0.016) GeV$ diventerà la nuova massa del $W$ solo dopo la pubblicazione del preprint di CDF (pdf) su una rivista referata e dopo che questo valore verrà inserito nella scheda della particella sul Particle Data Group. E questo sembra non essere stato compreso dai lettori di Tommaso, che ha dato l'annuncio sul suo blog e, soprattutto, ha cercato di spiegare in termini semplici tutto il processo sperimentale e l'analisi dei dati che ha portato alla misura specifica e dunque alla nuova proposta. Ad esempio Wired ha preso per buono il risultato di CDF, nonostante sia preliminare, operando anche la solita semplificazione giornalistica (e un po' popperiana), prendendo il risultato della collaborazione come una sorta di spugna che cancella tutto quello che c'era in precedenza. E una situazione piuttosto antipatica, con gente che arriva per aggiornare un dato non ancora ufficiale, sta accadendo su en.wiki con due versioni (1 e 2) modificate e prontamente riportate allo stato originario questa notte (e una terza dal sottoscritto nel pomeriggio).
Prima che questa follia prenda piede anche in Italia, magari con qualche giornalista che nel fine settimana non sa come riempire la propria colonna e allora parte andando dietro a Wired (quello statunitense, e non il nostrano!), spieghiamo anche cosa sia il Particle Data Group. In poche parole è un gruppo internazionale di fisici che si sono fatti carico di mettere ordine tra i dati sperimentali provenienti dalla fisica delle particelle. Compilano, ogni anno circa per il web, e ogni due anni anche per il cartaceo, le schede delle particelle (con tutte le loro proprietà come numeri quantici e massa), e delle interazioni fondamentali, andando a pescare i dati proprio dalle pubblicazioni referate. Tutto questo lavoro, che diventa così la fonte principale (ma dovrebbe anche essere l'unica) per i dati delle particelle usiamo negli articoli di fisica viene pubblicato su due riviste, il Review of Particle Physics e la sua versione tascabile Particle Data Booklet.
Per cui, fino alla pubblicazione della nuova scheda, il valore della massa del $W$ resta ancora $(80.399 \pm 0.023) GeV$⁽³⁾.

Accerchiando il bosone di Higgs

Ne avevo già scritto in inglese, ma con colpevole ritardo vi riferisco di alcune novità riguardanti il bosone di Higgs e uscite dalla conferenza EPS sulla fisica delle alte energie⁽¹⁾, tenutasi a fine luglio, dal 24 al 27 se non ricordo male.
Tutto inizia con il comunicato stampa del Fermilab che, combinando i dati degli esperimenti D0 e CDF, ha diffuso i nuovi limiti di massa⁽²⁾ per il bosone di Higgs, ovvero tra i 114 e i 137 GeV/c². Ovviamente non potevano mancare nemmeno le collaborazioni ATLAS e CMS con l'esposizione dei loro dati, che però sembrano essere ben poco ottimistiche non solo nei confronti del Tevatron, ma anche del bosone stesso.
Iniziamo dando un'occhiata ai grafici (via Résonaances, Tommaso Dorigo):

Come vedete i due esperimenti europei hanno in comune con il Tevatron solo una piccola regione compresa tra circa 115 GeV e 140 GeV. I dati di queste regioni saranno probabilmente analizzati e pubblicati entro la fine dell'anno, per cui dovremmo presto sapere se il Tevatron potrebbe scoprire l'Higgs o meno⁽³⁾, ma soprattutto potremmo avere un'idea più precisa di che Higgs ci dovremmo aspettare.
Per chiarire meglio questo aspetto potrebbe essere interessante dare un'occhiata al grafico riassuntivo realizzato di Philip Gibbs, dove potrete notare come quella piccola regione in comune tra Tevatron e LHC e l'ultima regione disponibile all'interno della previsione del modello standard:

E torniamoci su

Ovviamente alla questione del bosone Z'... o forse falso allarme. Su questa storia ecco uscire un giochino, una gif animata:

A produrla è Tommaso Tabarelli de Fatis del CMS, uno dei molti progetti che gravitano intorno all'LHC. Il buon Tommaso, omonimo di Dorigo, ha riscalato i dati prodotti dal CDF con una percentuale sempre maggiore. L'idea di fondo è: siamo proprio sicuri della precisione del fascio, e quindi dei dati prodotti dalla collaborazione?
Diciamo che Tommaso, l'altro, fuga ogni dubbio: siamo intorno al 3%, il che vuol dire che poco cambia, secondo l'analisi di Tabarelli, riguardo al picco-non picco. Che poi potrebbe non esserci in ogni caso se si alza la curva teorica grazie, ad esempio, ai contributi di W+jet, come scritto l'altro giorno.
La gif animata, però, ha un altro pregio: far notare quanto siano variabili anche le stesse simulazioni. Se Tabarelli avesse ragione, infatti, si dovrebbe notare un picco prima dei 50 GeV, o forse ho le travvegole?

Della questione si è occupato anche Cosmic Variance.

Il bosone Z' e la fenomenologia di un picco

Mettetevi comodi: è un lungo viaggio quello che stiamo per intraprendere. Parte dai bosoni W e Z, mediatori della forza debole, per poi portarci nello studio dei loro decadimenti al Tevatron, l'acceleratore del FermiLab e alla recente osservazione di un picco, per ora solo gaussiano, nei dati rilevati dalla collaborazione CDF. Al momento, seguendo Tommaso Dorigo, direi che ci sono due spiegazioni principali: un nuovo bosone, denominato Z', che potrebbe spiegare una parte dell'asimmetria materia-antimateria oltre ad essere il mediatore dell'interazione tra materia oscura e materia ordindaria, oppure un effetto dovuto alla nostra scarsa conoscenza del decadimento adronico del W.

Innanzitutto introduciamo i così detti dijet⁽¹⁾. Sono molto importanti nello studio dei bosoni W e Z, la cui scoperta frutto a Rubbia il Nobel in Fisica. I processi che vengono studiati sono le interazioni WW, WZ, ZZ sia attraverso i decadimenti leptonici, sia attraverso lo studio di jet adronici. L'esistenza di questi due canali è dovuta al fatto che mentre la segnatura del decadimento del W^- è la produzione di una coppia neutrino-leptone

mentre il W⁺, così come lo Z decade producendo un leptone e due jet adronici.
L'importanza nello studiare questi decadimenti sta nel legame che questi bosoni, che sono in particolare le particelle che mediano, trasportano l'interazione debole, hanno con il famosissimo bosone di Higgs. E sono in particolare i decadimenti che coinvolgono il W⁺ e lo Z , e quindi i jet adronici ad essere importanti per la rilevazione dell'Higgs⁽²⁾.

E sono anche tra i più difficili da rilevare.
Impegnato in questa rilevazione c'è il Tevatron, l'acceleratore statunitense del FermiLab, e in prima linea c'è la collaborazione CDF. Un primo esame delle interazioni WW e WZ avvenuto a fine 2009⁽³⁾ ha successivamente portato alla pubblicazione nel 2010 su PRL⁽⁴⁾. Iniziamo a dare un'occhiata ai grafici presentati in quell'occasione:

In entrambi i grafici si possono apprezzare alcune zone dove i dati rilevati dalla collaborazione si trovano ben sopra alla ricostruzione delle interazioni avvenute grazie alle simulazioni Monte Carlo. Queste simulazioni sono molto importanti nella fisica sperimentale delle alte particelle e il motivo è molto semplice: è grazie ad esse che gli sperimentali sono in grado di valutare il contributo della fisica nota alle collisioni studiate. Questo vuol dire che, nell'esame dei dati raccolti, la routine dello sperimentatore è quella di far girare righe di codice che tritura per ore e ore i puntini raccolti dall'acceleratore e poi sputa la sua sentenza, che poi dovrà ulteriormente essere raffinata con altri codici ancora prima per verificare se ci sono altri effetti di fisica nota che si è trascurato e poi per vedere se potrebbe esserci qualcosa di interessante nei dati⁽¹⁾.