Ricerca del Bosone di Higgs* a LHC

Giorgio Giacomelli

Universita’ di Bologna e INFN-Bo, Dipartimento di Fisica e Astronomia, giacomelli@bo.infn.it

Articolo divulgativo per Natura e Montagna (October 2013)

Abstract. The Standard Model (SM) of Particle Physics was tested with great precision by experiments at high energy colliders, LEP, HERA; Tevatron, SLAC, [4]. The only missing particle was the Higgs boson, for which there are now good observations from the ATLAS and CMS experiments at the LHC [7,8]. Figs. 1 and 2 summarize the basic particles of the SM . Fig.3 illustrates the role of virtual particles inside the proton. But there still are several open questions : All the quantum numbers of the newly discovered boson agree with those anticipated for the Higgs Boson of the SM? Are there some other scalar particles ? Is the SM a complete theory ? Do neutrino oscillations fit into ths SM or require physics beyond the SM [10]? What are the particle or particles which constitute the Dark Matter (DM), that are required by Astrophysical Observations ? The lightest Supersymmetric particle (SUSY-WIMP) is normally assumed to be the proper particle for this role, but there is no evidence for SUSY and it may also be that an ensemble of different particles solves the problem .

Nel secolo scorso sono stati fatti molti passi avanti nella conoscenza del microcosmo, prima utilizzando microscopi ottici, poi microscopi elettronici, quindi raggi cosmici (RC) e soprattutto fasci di particelle provenienti da acceleratori di energia sempre piu’ elevata : questi ultimi ci permettono di studiare oggetti di dimensioni piccolissime. Si e’ cosi’ trovato che la materia e’ composta di molecole, atomi, nuclei atomici, neutroni e protoni e infine di “costituenti ultimi“, come illustrato nella Fig. 1(a), che indica anche le dimensioni approssimative di ogni sistema submicroscopico. Ognuno di questi sistemi fisici e’ sostanzialmente un sistema vuoto che contiene oggetti via via piu’ piccoli. Nel cosidetto Modello Standard del Microcosmo (MS) i costituenti ultimi sono quarks e leptoni con spin ½ (che possono essere chiamati particelle materia)[lo spin e’ il momento agolare intrinseco di una particella] : queste particelle interagiscono fra loro tramite tre forze/interazioni fondamentali : l‘interazione elettromagnetica (mediata da fotoni , forte ( mediata da 8 gluoni g), debole ( mediata da bosoni intermedi massivi W⁺, W^- , Z⁰), tutti con spin 1 (le particelle mediatrici possono anche essere chiamate particelle forza ). Solo i fotoni e i gluoni g hanno massa zero : tutti gli altri costituenti ultimi e gli altri mediatori delle forze fondamentali hanno masse non nulle e molto diverse tra loro, come illustrato in Fig. 2.

Con il Modello Standard si introduce un nuovo campo di forze, mediato da un nuovo bosone fondamentale, il bosone di Higgs che dovrebbe avere spin 0, e che darebbe luogo alla massa di tutte le particelle massive interagendo con ogni altra particella materia o mediatrice di qualche interazione, ad eccezione del fotone e dei gluoni [1][2].

Il Modello Standard prevede massa nulla per i neutrini; ma essi possono trasformarsi da un neutrino di un tipo a uno di tipo diverso ( fenomeno delle oscillazioni dei neutrini ) che e’ possibile solo se i neutrini hanno massa non nulla, anche se piccolissima. La spiegazione di questo fenomeno richiede forse qualcosa che non e’ contenuto nel Modello Standard.

Il MS ha anche altre mancanze come quella di non includere la forza gravitazionale. Cio’ non provoca effetti apprezzabili nel campo della microfisica ad energie non troppo elevate, ma nel macrocosmo la forza gravitazionale e’ molto importante e vi domina. In futuro si dovra’ forse procedere a introdurre una nuova parte di fisica al di la’ del Modello Standard. Notare, anche, che i quarks ed i leptoni compaiono in 3 famiglie, che sembrano essere una replica una dell’altra.

--------------*Il termine “Bosone di Higgs” e’ usato dai fisici; il termine “Particella di Dio” e’ usato dai giornalisti.

Fig. 1. (a) I costituenti della materia. (b) I costituenti ultimi della materia e delle forze fondamentali piu’ il bosone di Higgs secondo il Modello Standard del microcosmo.

Fig. 2. Massa dei costituenti ultimi. [ Una illustrazione qualitativa della massa prodotta dal meccanismo di Higgs e’ in www.scienzagiovane.unibo.it/attualita-2011.html ].

Fig 3 a sinistra: Il protone, secondo il modello statico a quark, e’ composto dai tre quark quasi puntiformi, u, u, d, ed e’ un sistema praticamente vuoto. Fig 3 a destra: il protone, nel modello dinamico a quark e’ pieno di particelle virtuali , che emergono dal vuoto e restano in vita per tempi brevissimi.

Secondo alcuni specialisti la presenza di 3 famiglie di leptoni e quarks potrebbe indicare che i costituenti ultimi potrebbero a loro volta essere composti da sub-costituenti e anche tale possibilita’ non e’ contenuta nel MS. Trascurando questa possibilita’, la Fig. 1 mostra che gli oggetti piu’ piccoli hanno dimensioni di circa 10^-18 m, mentre la Fig. 2 indica che le loro masse variano da 10^-12 a piu’ di 10² giga-electron-volt (GeV), cioe’ sono molto diverse una dall’altra.

Si ritiene che la massa dei costituenti ultimi e dei mediatori delle interazioni fondamentali sia legata alle loro interazioni con il campo di Higgs, un campo che permea tutto l’Universo. Le particelle con massa piccola interagiscono molto poco con il campo di Higgs, le particelle con massa intermedia interagiscono maggiormente con tale campo e le particelle con massa elevata hanno interazioni ancora maggiori con il campo di Higgs.

Dobbiamo anche valutare come sono formati e in che modo interagiscono i protoni accelerati ad alta energia nel Large Hadron Collider (LHC), il piu’ grande acceleratore esistente, che nel 2012 ha fornito le prime indicazioni dell’esistenza del bosone do Higgs. Secondo il “modello statico” a quark, il protone e’ costituito da tre quarks, u, u, d, quasi puntiformi : quindi il protone sembra essere un oggetto praticamente vuoto. Ma secondo il “modello dinamico” a quark, basato sulla cromodinamica ed elettrodinamica quantistica, il protone e’ pieno di particelle virtuali, per es gluoni, che danno luogo a coppie quark-antiquark , fotoni che diventano coppie elettrone-positrone, ecc. Queste particelle emergono dal vuoto rapidamente e vi ritornano altrettanto rapidamente. Il protone diventa così un sistema complesso e puo’ quindi succedere che in una collisione protone-protone in LHC avvenga una collisione fra un quark del primo protone con un gluone oppure un antiquark del secondo protone, e, con minor probabilita’, con un fotone o un positrone del secondo protone.

Fig. 4 a sinistra: Schema di LHC: il grande circolo blu in basso indica il percorso del tunnel di 27 km di circonferenza fra Svizzera e Francia. Il tunnel e’ posto a una profondita’ media di 100 m; e’ anche indicato in giallo il tunnel dell’SPS da dove si iniettano i protoni in LHC, e i siti dei 4 esperimenti principali a LHC. Nel tunnel sotterraneo sono posti lunghi magneti superconduttori.

Come gia’ detto, LHC e’ il piu’ grande acceleratore di particelle esistente [3], vedi Fig. 4 (in precedenza vi era LEP [4]). Il tunnel nel quale si trova LHC ha una circonferenza di 27 km; non e’ un circonferenza perfetta perche’ e’ costituito di 8 archi intervallati da sezioni rettilinee. Per mantenere i protoni all’interno dell’acceleratore sono utilizzati 9600 magneti superconduttori di diverso tipo, che fanno curvare e focalizzare i protoni in modo appropriato. I due fasci di protoni circolano in tubi separati nei quali e’ mantenuto un vuoto molto spinto; in un tubo circolano i protoni in senso orario, nell’altro i protoni circolano in senso antiorario. I magneti dipolari che producono un campo magnetico di 8.3 Tesla ( circa 200000 volte piu’ intenso di quello terrestre ) rappresentano una delle sfide tecnologiche piu importanti. Il campo magnetico e’ prodotto da fili conduttori che diventano superconduttori a temperature di circa 271 gradi centigradi sotto lo zero. LHC e’ quindi uno dei luoghi piu’ freddi dell’Universo, raffreddato da un complesso sistema ad elio liquido.

Un fascio di protoni circolanti ha una struttura a “pacchetti (bunches)” di protoni (fino a 2808 pacchetti) con dimensioni trasverse di circa 1 mm nelle zone lontane dai punti di collisione e di pochi micron nelle zone di collisione. In condizioni normali occorrono circa 10 minuti per iniettare i protoni in LHC e circa 20 minuti per accelerarli alla massima energia consentita. Prima di venire iniettati in LHC i fasci di protoni passano attraverso un complesso di pre-acceleratori per “spingere” i protoni ad energie sempre crescenti: ogni “preacceleratore” inietta il fascio di protoni in quello successivo fino ad arrivare all’ultimo elemento della catena.

All’interno del collisionatore LHC i fasci di protoni sono mantenuti su orbite leggermente differenti e fatti collidere solo in corrispondenza di 4 zone situate lungo l’anello. In corrispondenza di queste zone di collisione sono stati installati 4 grandi e complessi apparati sperimentali ( ATLAS, CMS, LHCb e ALICE ) e altri 2 esperimenti minori (Totem, LHCf ). In LHC le collisioni avvengono fra i protoni di 2 fasci circolanti in direzioni opposte : l’energia totale nel sistema del centro di massa e’ data dalla somma delle energie dei due fasci. Nel 2010 LHC ha raggiunto nel centro di massa l’energia di 7 TeV ( 3.5 TeV per fascio ). Nel 2012 energie di 4 TeV per fascio e intensita’ (Luminosita’) molto elevate. Nel 2014-15 l’energia raggiungera’ 7 TeV per fascio (14 TeV di energia totale nel sistema del centro di massa ).

Ogni grande esperimento in LHC e’ un complesso sistema a struttura cilindrica costituito di molti sottorivelatori posti in un “barrel (barile)” attorno all’asse dei fasci e di due “endcaps (tappi)” posti alle estremita’ dell’esperimento, vedi Fig. 5.

Fig. 5. Il rivelatore CMS: vista longitudinale; in www.scienzagiovane.unibo.it/LHC/cms-page1.html e’ mostrata una vista trasversale interattiva : cliccando su e, adrone neutro, adrone carico, si osserva il passaggio delle particelle nei vari sottorivelatori.

 

La sequenza dei sottorivelatori, a partire dal punto di collisione dei protoni e’: (i) un tracciatore costituito di vari sistemi di rivelazione delle particelle cariche prodotte nella collisione e la traiettoria delle particelle cariche e’ determinata con una precisione fino a circa 10 m; (ii) un calorimetro elettromagnetico per rivelare elettroni e fotoni e misurarne l’energia totale; questi rivelatori sono posti all’interno di un grande (iii) magnete superconduttore che produce un forte campo magnetico diretto lungo l’asse dei fasci; poi (iv) un calorimetro adronico per rivelare protoni, neutroni ed altri adroni; e (v) un rivelatore di muoni, [5,6]. Ogni sottorivelatore e’ segmentato finemente e le informazioni sono inviate ad un gran numero di canali elettronici. Il peso totale del rivelatore CMS e’ di circa 1200 ton, quello del rivelatore ATLAS e’ ancora maggiore.

Quando LHC funzionera’ alla massima energia e ad alta intensita’, in ogni rivelatore avverranno circa un miliardo di interazioni ogni secondo, corrispondenti a 40 milioni di interazioni di ogni pacchetto al secondo e a una separazione temporale di 25 nanosecondi (cioe’ di 25 miliardesimi di secondo) fra due pacchetti interagenti, vedi Fig. 6. Non e’ possibile registrare tutti questi eventi e tutte le nuove particelle prodotte in questi eventi, che, comunque, sono in gran parte di poca importanza. Occorre invece individuare gli eventi piu’ interessanti e questo puo’ essere fatto tramite molti “triggers (selezionatori)” elettronici e/o tramite programmi di calcolo che individuino possibili eventi interessanti, come per es. quelli che potrebbero indicare la presenza del bosone di Higgs. Occorre anche ridurre la frequenza di tali eventi in modo da poterli registrare in modo completo e corretto con gli attuali sistemi di presa dati.

In conclusione, occorre una grandissima potenza di calcolo per raccogliere e analizzare l’enorme quantita’ di dati. Questo avviene tramite un colossale sistema di piccoli calcolatori, che ha la base principale nel cosidetto Tier-0 al CERN, e un insieme di sistemi piu’ piccoli (Tier 1), localizzati in nazioni diverse ( per l’Italia il Tier-1 e’ al Centro CNAF-INFN a Bologna ), e di un gran numero di Tier-2 in diverse sedi universitarie. Questi calcolatori servono anche a simulare in dettaglio tutti i rivelatori, valutare le loro “performances (prestazioni)”, i metodi di analisi fisica e il confronto con diversi modelli teorici. E’ forse opportuno ricordare che il CERN ha avuto una grande esperienza con centri di calcolo via via piu’ potenti e che al CERN e’ “nato” WWW che ora e’ piu’ noto come INTERNET.

Occorre anche ricordare che ad ogni esperimento a LHC partecipano piu’ di 3000 ricercatori fisici e ingegneri di oltre quaranta Nazioni e piu’ di cento universita’ ed enti di ricerca. Il CERN, nato come Laboratorio Europeo, ora, si configura come Laboratorio Mondiale. Oltre alle Nazioni europee, molte altre nazioni sono ora membri associati del CERN secondo accordi precisi, che stabiliscono contributi tecnici e/o finanziari e partecipazioni al CERN Council, il “parlamento” del CERN. Ogni esperimento ha un suo Council e uno Spokeperson (responsabile dell’esperimento) che viene eletto per alcuni anni. (Vi sono state alcune spokepersons donne e vi sono alcuni spokepersons non europei).

Fig. 6. Nello stesso bunch crossing (incrocio di pacchetti di protoni) avvengono molte interazioni , che possono essere separate tramite l’uso appropriato dei diversi tipi di sottorivelatori.

La Figura 7 mostra un evento candidato p+pH⁰ (piu’ altre particelle di fondo) nell’ esperimento CMS. Le tracce cariche viste nei sottorivelatori centrali sono indicate in giallo. Queste tracce costituiscono un fondo che va valutato con precisione e poridotto e .

Il Modello Standard predice l’esistenza del bosone di Higgs con breve vita media, ma non ne prevede la massa. Per ogni data massa e per ogni modo (canale) di decadimento predice con precisione le probabilita’ di produzione e di decadimento. Per masse non troppo elevate, il MS indica che le collisioni dominanti per la produzione di bosoni di Higgs sono le collisioni fra un gluone g del primo protone e un gluone g dell’altro protone, secondo il meccanismo illustrato nella Figura 9. E’ un meccanismo un po’ complicato : procedendo da sinistra a destra i 2 gluoni interagenti diventano una coppia di quark t + anti t (i costituenti ultimi con massa piu’ elevata) che poi danno luogo direttamente al bosone di Higgs H⁰ , che infine decade “democraticamente “ in uno dei tanti stati finali. La probabilita’ di produzione del bosone di Higgs e’ prevista diminuire all’aumentare della massa m_H0. Per masse non troppo grandi, il Modello Standard predice che il primo canale corrisponde al decadimento H⁰seguito dai canali H⁰2e+2 H⁰2e+2++anti .

Fig. 7. Un evento candidato H⁰ in CMS (i due segnali verdi). Notare il notevole numero di particelle cariche (di “fondo”) viste nei rivelatori centrali (tracce in colore giallo ).

La Figura 8 mostra il numero di eventi candidati H⁰ in funzione di mtrovati negli esperimenti ATLAS e CMS [7,8,9]. La massa me’ calcolata per ogni combinazione tramite formule relativistiche sulla base delle masse e degli impulsi delle singole particelle. Notare in Figura 8 i punti e le linee decrescenti all’aumentare di m: essi costituiscono un fondo. Il segnale per H⁰ e’ rappresentato dai “picchetti” a m=125-126 GeV. Il canale p+p H⁰ rappresenta solo uno dei canali di osservazione di un bosone di Higgs ed e’ il canale formalmente piu’ semplice.

Fig. 8. Numero di eventi candidati H⁰ in funzione di mnegli esperimenti ATLAS e CMS. Notare i punti e le linee decrescenti all’aumentare di m: essi costituiscono un fondo; il segnale per H⁰ corrisponde ai piccoli picchi a m125-126 GeV.

Fig. 9. Probabilita’ di produzione e decadimento del bosone di Higgs secondo il Modello Standard. Siccome il bosone di Higgs si accoppia piu’ fortemente con i costituenti di massa piu’ elevata, la coppia g+g si converte in una coppia t+anti t che da’ quindi luogo a H⁰, che poi decade in molti modi, in particolare anche in due fotoni, H⁰ e in 4 leptoni carichi.

Come gia’ detto, il canale p+p H⁰ e’ solo uno dei modi di osservazione del bosone di Higgs. Un secondo canale importante e’ il canale HZZ4 leptoni carichi, per es. 2(e,)+2(e,)2e+2vedi Fig. 11; un altro, un po’ piu’ complicato da analizzare, e’ il canale H⁰WW2e+2++anti . Questo da’ luogo nello stato finale a piu’ di 2 particelle e quindi non presenta un picchetto come nel canale H⁰ e H⁰4 leptoni carichi, ma una distribuzione piu’ “sbrodolata”.

L’analisi in funzione della massa dell’Higgs, come illustrato nelle Fig. 8a,b, non e’ quella piu’ sensibile. Una migliore e’ in termini della probabilita’ dei canali. Per valutare questa, occorre un’ottima conoscenza tramite misure e simulazioni Monte Carlo delle efficienze e delle caratteristiche di ogni sottorivelatore e dei fondi attesi. Questo richiede ottime conoscenze di tutti i sottorivelatori e metodi raffinati di calcolo. Il risultato di tali analisi e’ mostrato nelle Figure 10a,b per i due esperimenti. Notare che il picchetto per H⁰ mostrato nelle Figure a,b diventa la curva verde di Fig.10b con un avallamento ben definito per CMS, e analogamente per ATLAS.

Fig. 10a. a sinistra. Analisi in probabilita’ globale sommando tutti i canali considerati per l’esperimento ATLAS. Fig 10b. a destra. Analisi in probabilita’ per vari modi di decadimento di H⁰_SM nell’esperimento CMS per masse comprese fra 115 e 130 GeV : la curva verde si riferisce al canale H, la curva rossa al canale HZZ. La curva nera si riferisce all’analisi globale sommando tutti i canali analizzati.

Fig. 11. Numero di eventi in funzione della massa di 4 leptoni carichi in CMS: il picco a 90 GeV e’ quello dovuto alla produzione della Z⁰; il picco rosso alla massa di circa 125-126 GeV e’ quello di H⁰. Notare che il fondo e’ qui molto minore di quello nel canale H⁰

Si puo’ concludere che alla massa m_H=(125.7+-0.4) GeV esiste una struttura compatibile con quella prevista per il bosone di Higgs del Modello Standard. Il significato del risultato e’ rafforzato dall’osservazione in due esperimenti diversi. Entrambi stabiliscono che i decadimenti favoriti sono , Z⁰Z⁰ ; cio’ implica che la struttura vista e’ un bosone. Il periodo di “presa dati” nel 2012 e’ stato allungato, e alla fine del 2012 ATLAS e CMS hanno ottenuto altri dati da analizzare.

Ed ora possiamo concludere che il MS e’ la teoria completa della materia e delle forze? Dal punto di vista sperimentale si deve ancora verificare con precisione se lo spin della particella H⁰ e’ veramente zero, misurare con precisione la sua vita media, verificare se nell’intervallo di massa 100<m_H<1000 GeV non vi siano altri picchi; e inoltre si deve verificare se le probabilita’ di produzione e dei decadimenti siano consistenti con le previsioni del MS. I risultati mostrati nella Fig. 12 ( ora sono disponibili ulteriori misure) per i decadimenti osservati indicano che i dati ottenuti sono consistenti con le previsioni, ma forse non sono ancora sufficientemente precisi,.

Dal punto di vista teorico si puo’ dire che il Modello Standard sembra essere quasi confermato, ma che non puo’ essere la teoria completa della materia e delle forze perche’:

i) esso non include la forza di gravita’ (che non gioca un ruolo molto importante nel microcosmo, ma che invece e’ dominante nel macrocosmo); ii) il MS predice massa nulla per i neutrini, ma il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, cioe’ la trasformazione di un neutrino di un tipo in un neutrino di altro tipo, puo’ avvenire solo se i neutrini hanno massa non nulla e questo, molto probabilmente, non puo’ essere contenuto nel MS [10]; iii) come indica la Fig. 2 lo spettro di massa dei costituenti della materia copre un amplissimo intervallo. Perche’? Il MS non lo spiega; iv) la materia che interviene nel MS e’ la materia ordinaria, che nell’Universo rappresenta solo il 4% della materia e dell’energia totale; v) a livello macroscopico ci sono forti indicazioni per l’esistenza della materia oscura (al livello del 20% della materia e dell’energia), che molto probabilmente richiede materia non prevista dal MS; vi) sempre a livello macroscopico, vi sono forti indicazioni dell’esistenza dell’’energia oscura (intorno all’80%) anch’essa non prevista dal MS; vii) mentre a livello microscopico c’e’ grande similarita’ fra materia e antimateria, a livello macroscopico la materia e’ dominante; viii) vi sono, inoltre, varie considerazioni teoriche che indicano come il MS non possa essere una teoria completa.

Fig. 12. Rapporti dei decadimenti misurati in CMS : la precisione delle misure non e’ ancora sufficiente per giungere a una completa conclusione se siano in completo accordo con il MS.

Le recenti analisi di tutti i dati presi nel 2012 all’energia totale di 8 TeV rafforza l’ipotesi di aver trovato il bosone di Higgs, ma occorrono ancora altri dati per migliorare le misure dei prodotti di decadimento dell’Higgs, parzialmente indicati nella Fig. 12. Nella primavera 2013 sono stati presentati da ATLAS e CMS nuove analisi, includento anche nuovi dati, che rafforzano quanto detto sopra.

Abbiamo quindi fatto un altro passo importante in avanti per la comprensione del microcosmo, ma resta ancora tanto da fare e da scoprire e si spera che ulteriori dati a LHC quando raggiungera’ l’energia massima di 13-14 TeV (nel 2015) possa portare nuovi lumi, in particolare su una possibile “nuova fisica” che vada “oltre” il Modello Standard.

E’ anche opportuno ricordare che la comprensione del microcosmo a energie molto elevate fornisce altre informazioni su quanto avvenne nell’Universo primordiale, subito dopo il Big Bang; e esperimenti spaziali, come Planck, danno informazioni complementari sull’ammontare della materia oscura e sull’energia oscura nell’Universo[11].

Desidero ringraziare i colleghi bolognesi che partecipano agli esperimenti a LHC per informazioni e consigli per la stesura di questa nota divulgativa.

Bibliografia

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[2] F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321.

[3] L. Evans et al, JINST 03 (2008) S08001.

[4] ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Collab. and LEP W.G., Phys. Lett. B565 (2003) 61.

[5] http://www.scienzagiovane.unibo.it/LHC/atlas-page1.html

[6] http://www.scienzagiovane.unibo.it/LHC/cms-images/CMS_Slice.swf

[7] ATLAS Coll., Phys. Lett. B716 (2012) 1.

[8] CMS Coll., Phys. Lett. B716 (2012) 30.

[9] A. Hoecker, “Particle Phys. : The Higgs boson and beyond”, SLAC 50,

http://slac50.slac.stanford.edu/scientific-symposium-agenda.asp

[10] Y. Fukuda, et al. Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562.

M. Ambrosio, et al. Phys. Lett. B434 (1998) 451.

F. Ronga et al. Nucl. Phys. B77 (1999) 117.

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N. Agafonova et al. Phys. Lett. B691 (2010) 138.

[11] Planck experiment collab. (Cosmological parameters) A&A (2013).