Rendicontare gli Higgs

Courtesy of CERN.

Traduzione dell’articolo di Sarah Charley apparso su Symmetry Magazine il 10/03/2020:
https://www.symmetrymagazine.org/article/accounting-for-the-higgs

Solo una piccola parte degli eventi di collisione che sembrano produrre un bosone di Higgs lo produce davvero. Per fortuna, questo non ha importanza.

Vi svelerò un segreto: sebbene i fisici abbiamo prodotto milioni di bosoni di Higgs al Large Hadron Collider, non ne hanno mai visto uno davvero. I bosoni di Higgs sono cose fragili che si dissolvono subito dopo la loro nascita. Tuttavia, quando muoiono, producono altre particelle, le quali, se create a LHC, possono viaggiare attraverso un rivelatore di particelle e lasciare delle segnature riconoscibili.

Ecco un altro segreto: le segnature degli Higgs sono identiche a quelle prodotte da numerosi altri processi. Infatti, ogni volta che un Higgs mette la firma in un rivelatore, ci sono molti altri processi di fondo che lasciano esattamente gli stessi segni.

Per esempio, una delle segnature più chiare dell’Higgs consiste in due fotoni aventi una massa complessiva di circa 125 miliardi di elettronvolts. Ma ogni dieci coppie di fotoni che sembrano corrispondere alla segnatura dell’Higgs, praticamente un solo evento appartiene a un Higgs.

Allora, come possono gli scienziati studiare qualcosa che non riescono a vedere né a isolare? Utilizzano la stessa tecnica impiegata dagli agenti dell’FBI per scoprire gli schemi di riciclaggio di denaro illecito: rendicontazione.

Nel riciclaggio, il denaro “sporco” (derivante da attività illegali) viene mescolato con quello “pulito” proveniente da attività legali come un autolavaggio. Sembrano tutti uguali, quindi risulta impossibile stabilire quali soldi derivino dallo spaccio di droga e quali dalle pulizie. Tuttavia, gli agenti non hanno bisogno di guardare ai singoli dollari; devono solo cercare impennate sospette nei profitti impossibili da spiegare sulla base di affari leciti.

In fisica, la rendicontazione proviene dal tanto amato sistema di equazioni chiamato Modello Standard. I fisici hanno speso decenni a costruire e perfezionare tale modello, che indica loro in quali percentuali dovrebbero verificarsi i diversi processi subatomici. Gli scienziati conoscono le segnature associate ai vari processi, perciò se osservano una segnatura più spesso del previsto, significa che sta accadendo qualcosa al di fuori dell’ambito del Modello Standard: un nuovo processo.

Un’intelligente opera di rendicontazione è il modo in cui gli scienziati hanno originariamente scoperto il bosone Higgs nel 2012. I fisici teorici avevano previsto l’aspetto delle segnature dell’Higgs e, quando i fisici sperimentali ne iniziarono la ricerca, osservarono sistematicamente comparire tali segnature, più frequentemente di quanto non si potesse spiegare senza l’esistenza del bosone di Higgs. Quando gli scienziati integrarono le equazioni con la matematica relativa al bosone di Higgs, le previsioni combaciarono con i dati.

Oggi, i fisici utilizzano questo metodo di rendicontazione per cercare nuove particelle. Molte di queste nuove particelle si prevede siano molto più rare del bosone di Higgs (come riferimento ricordiamo che questi ultimi vengono prodotti a un tasso di circa uno ogni miliardo di collisioni). Molti processi sono ancor meno evidenti, e già la definizione di uno standard per la rendicontazione rappresenta una sfida. (Per tornare all’analogia del riciclaggio, è come se l’FBI svolgesse indagini in un locale esclusivo, dove l’improvviso picco di profitti potrebbe essere spiegato con una generosa mancia).

Per trovare questi complicati e tenui segni di malefatte, gli esperti hanno bisogno di un’enorme quantità di dati e di un modello accuratamente ottimizzato. I futuri run di raccolta dati di LHC saranno dedicati alla costruzione di questi immensi set di dati affinché gli scienziati possano cercare tra i libri contabili in cerca di numeri che il Modello Standard non possa spiegare.

Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF
Revisione a cura di Erika De Lucia, ricercatore INFN-LNF