ICHEP 2022 ha scelto Bologna
Si è da poco conclusa a Bologna ICHEP 2022, la 41esima edizione del ciclo di conferenze che da più di 70 anni coinvolge fisici di tutto il mondo. ICHEP, International Conference on High Energy Physics, è la più importante conferenza internazionale di fisica delle alte energie nella quale, ogni due anni, la comunità scientifica che si occupa di fisica delle particelle, astrofisica, cosmologia e tecnologia degli acceleratori si ritrova per presentare e discutere i risultati più rilevanti prodotti nell’ultimo periodo.
ICHEP è la conferenza di riferimento di questa comunità, uno degli appuntamenti più attesi. Proprio durante questi eventi, negli anni, sono state annunciate scoperte epocali, come nel 2012 quella dell’osservazione del bosone di Higgs, ed è inoltre un’occasione per discutere le strategie ed i piani per il futuro della ricerca nei vari campi.
L’edizione di quest’anno, la prima di ICHEP in Italia, segna con grande successo il ritorno all’evento in presenza dopo l’emergenza pandemica, con una partecipazione di circa 1500 scienziati e scienziate provenienti da ogni parte del pianeta, di cui più di 1200 si sono ritrovati fisicamente a Bologna. In Figura 1 si possono vedere tutti i partecipanti immortalati all’interno dell’Europa Auditorium durante la foto di gruppo.
Come tutte le edizioni, anche quella di quest’anno ha visto la presenza di eminenti fisici tra i quali il premio Nobel Takaaki Kajita, la direttrice del CERN Fabiola Gianotti ed i direttori dei più importanti laboratori mondiali di fisica delle alte energie, oltre ad una folta platea di giovani ricercatori e studenti che costituiscono la linfa vitale della ricerca e che contribuiscono a creare un ambiente stimolante, ricco di discussione e scambi di idee, in cui il fisico affermato ed il giovane studente possono interagire da pari a pari.
17 sessioni parallele, 3 giorni di plenarie, circa 900 contributi orali e 250 poster: questi i numeri per discutere gli ultimi entusiasmanti risultati dei numerosi esperimenti di fisica delle particelle, i recenti sviluppi dei rivelatori, le nuove applicazioni di machine learning, ma anche per parlare di come la ricerca collabora con l’industria, come fare divulgazione ed affrontare il tema della diversità e dell’inclusione nel mondo della scienza.
In vista di questo importante appuntamento la collaborazione ATLAS ha pubblicato 30 nuovi risultati che vanno dalle misure di precisione del bosone di Higgs e delle particelle del Modello Standard alla ricerca di meccanismi nuova fisica. I risultati, ottenuti con i dati raccolti durante il RUN 2 di LHC (periodo che va dal 2015 al 2018) a un’energia di collisione protone-protone di 13 TeV, sono stati presentati dai membri della collaborazione ATLAS in 71 presentazioni orali durante le sessioni parallele e 59 poster. Nonostante il pochissimo tempo a disposizione per fare le analisi, i ricercatori della collaborazione sono riusciti a mostrare ad ICHEP i primi risultati delle prestazioni ottenute dal rivelatore con i primi dati del RUN 3, partito il 5 luglio 2022, pochi giorni prima dell’inizio della conferenza.
I risultati più interessanti della collaborazione sono riportati nel seguito.
Identikit del bosone di Higgs
La conferenza ICHEP si è svolta durante una settimana memorabile per la fisica delle particelle, iniziata con la celebrazione del decimo anniversario della scoperta del bosone di Higgs (4 luglio 2012). Per festeggiare l’evento la collaborazione ATLAS ha pubblicato l’insieme più completo e preciso delle misure delle proprietà del bosone di Higgs e delle sue interazioni con le altre particelle fondamentali, con l’obiettivo di verificarne la consistenza con la teoria del Modello Standard.
La massa, per esempio, un parametro libero nel Modello Standard, può svelarci molto sulla natura di questa particella, infatti la sua determinazione è fondamentale per prevedere i modi in cui il bosone di Higgs può decadere ed essere prodotto. La collaborazione ATLAS ha misurato la massa del bosone di Higgs con una precisione senza precedenti studiandone il decadimento in una coppia di bosoni Z, che a loro volta decadono ciascuno in una coppia di elettroni o muoni. Grazie agli sforzi fatti per migliorare la determinazione della quantità di moto dei muoni e alle nuove tecniche di analisi dei dati, la massa del bosone di Higgs è stata misurata in 124,99 GeV con una precisione dello 0,15%, in buon accordo con le misure precedenti.
Per capire le caratteristiche del bosone di Higgs, oltre alle misure dirette delle proprietà, occorre studiare l’interazioni con le altre particelle fondamentali, in particolare osservarne i molteplici modi di produzione e decadimento. Infatti, alcune particelle, ad es. il bosone W o Z, possono interagire direttamente con il bosone di Higgs in fase di produzione o di decadimento, altre invece, più pesanti, come il quark top, o senza massa, come gluoni e fotoni, possono interagire soltanto virtualmente. Per capire queste diverse modalità di produzione e di decadimento occorre combinare più misure possibili prendendo in considerazione differenti stati iniziali e finali. L’ultimo risultato pubblicato da ATLAS riporta la combinazione delle misure di produzione del bosone di Higgs tramite i meccanismi di fusione di gluoni (gluon fusion), fusione di bosoni vettori (vector-boson fusion) e in associazione a un quark top o a un bosone elettrodebole (W o Z), mentre, per quanto riguarda il decadimento, sono stati studiati gli stati finali in coppie di bosoni W o Z, fotoni, leptoni tau, quark bottom o charm, muoni e nell’associazione di un bosone Z con un fotone. Tutte queste misure sono in accordo con i valori attesi del Modello Standard con una precisione via via sempre migliore. In particolare, il numero di eventi di Higgs osservati è stato misurato con una incertezza di solo il 6%, che corrisponde a un miglioramento del 30% rispetto al valore precedente.
Il bosone di Higgs è ritenuto responsabile, tramite il meccanismo di Higgs, della generazione della massa delle particelle. Tale meccanismo si basa sul presupposto fondamentale che la forza di interazione di una data particella con il bosone di Higgs sia proporzionale alla massa della particella stessa. Il risultato combinato pubblicato da ATLAS fornisce un’ulteriore prova di questa proporzionalità, come mostrato nella Figura 2, avvallando l’ipotesi teorica del Modello Standard.
Inoltre, i ricercatori hanno esaminato la cinematica degli eventi in cui viene prodotto un bosone di Higgs, osservando, ad esempio, la quantità di moto trasverso o il numero di “getti” di particelle aggiuntive che vengono prodotte. La conoscenza dei processi fondamentali in gioco durante la produzione del bosone di Higgs è cruciale in quanto potrebbe rivelare contributi di nuovi processi fisici sconosciuti che hanno un impatto solo indiretto o molto debole nella produzione del bosone di Higgs. Anche in questo caso non sono state riscontrate deviazioni significative dalle aspettative del Modello Standard.
L’ultimo parametro importante da studiare per terminare il nostro identikit è l’auto-interazione del bosone di Higgs con sé stesso. Questa proprietà è direttamente connessa alla forma del potenziale di Higgs e può quindi aiutarci a comprendere cosa sia successo nelle prime fasi dell’Universo, fornendoci informazioni sia sulla evoluzione che sulla stabilità dell’Universo stesso.
Per misurare l’auto-interazione occorre studiare stati finali in cui si abbia una produzione di coppie di Higgs (dette di-Higgs). Tale processo è molto raro e per effettuare la misura sono state combinate le misure del decadimento di di-Higgs in stati finali composti da quattro quark bottom, due quark bottom e due leptoni tau, oppure due quark bottom e due fotoni. L’insieme dei dati raccolti da ATLAS durante il RUN 2 contiene solo diverse migliaia di eventi di di-Higgs, il che non è sufficiente per effettuare una misura statisticamente significativa di questo processo. Pertanto, i ricercatori hanno fissato un limite al tasso di produzione di-Higgs stabilendo che esso non possa essere superiore a 2,4 volte il valore previsto dal Modello Standard, con un livello di confidenza del 95%. Tale limite è al momento il più stringente per questo rarissimo processo e ha permesso di migliorare del 30% i vincoli posti sulla forza di auto-interazione dell’Higgs così come di escludere con certezza alcune forme di potenziale. Risultati così spettacolari sono stati resi possibili grazie ai miglioramenti apportati alla selezione degli eventi che ha permesso di riconoscere, tra i processi previsti dal Modello Standard, molto più comuni e con firme simili, i rari eventi di-Higgs.
Novità nella polarizzazione dei bosoni vettori
I bosoni W e Z, portatori della forza debole, hanno una massa considerevole in quanto interagiscono fortemente con il bosone di Higgs. Questo li rende dei buoni candidati per investigare i meccanismi di interazione fra bosoni, fondamentali per comprendere le leggi che regolano l’evoluzione dell’Universo. Una delle proprietà che fornisce le informazioni più interessanti sulle interazioni multi-bosone è la polarizzazione, ovvero la proiezione dello spin della particella su di una data direzione, per esempio la direzione di movimento o comunemente detta direzione di volo. Le particelle dotate di massa, come i bosoni W e Z, possono avere componenti di polarizzazione sia trasversale che longitudinale rispetto alla direzione di volo. La misura della polarizzazione congiunta nella produzione di più bosoni è un’osservabile molto efficace per rivelare eventuali effetti di nuova fisica, non previsti dal Modello Standard.
Purtroppo, le interazioni multi-bosone sono rare e la polarizzazione longitudinale congiunta dei bosoni W e Z rappresenta solo il 7% di tutti gli eventi WZ. Tuttavia, l’ampio campione di dati raccolto dall’esperimento ATLAS e le sofisticate tecniche di analisi, come gli algoritmi di apprendimento automatico (machine learning), hanno consentito ai ricercatori di osservare per la prima volta la polarizzazione longitudinale simultanea dei bosoni W e Z. La prima osservazione di questa grandezza, ricavata studiando i bosoni Z che decadono in elettroni o muoni e i bosoni W che decadono in un elettrone o muone e un neutrino, è stata presentata ad ICHEP dalla collaborazione ATLAS. I ricercatori sono stati in grado di determinare gli stati di polarizzazione dei bosoni W e Z iniziali grazie alla definizione di osservabili angolari ricavabili dai prodotti di decadimento ricostruiti. Il risultato è stato l’osservazione di una correlazione tra gli stati di polarizzazione dei bosoni W e Z quando vengono prodotti simultaneamente. Si è osservato infatti che la percentuale di polarizzazione longitudinale nella produzione congiunta risulta diversa rispetto a quella misurata nella produzione di un singolo bosone W o Z.
Tetraquark al charmonio
I quark, una famiglia di particelle fondamentali, sono i mattoni dei nuclei atomici. La forza forte, una forza attrattiva che agisce su di essi, fa sì che formino stati legati come protoni e neutroni. Fino a poco tempo fa erano noti solo stati legati di due o tre quark, poi gli esperimenti hanno iniziato a riportare osservazioni di stati legati a quattro quark, chiamati tetraquark.
Alla conferenza ICHEP, i ricercatori di ATLAS hanno presentato la loro prima osservazione di alcuni stati compatibili con dei tetraquark. La misura riportata indica che i tetraquark osservati da ATLAS sono costituiti da quattro quark di tipo charm e hanno una massa di circa 7 GeV, come mostrato nella Figura 3. I tetraquark qui citati sono stati osservati studiando il loro decadimento nello stato finale composto da quattro muoni sfruttando una particolare caratteristica, sviluppata appositamente per lo studio degli stati legati di quark a basse masse, in grado di selezionare eventi contenenti muoni a basso impulso.
Testo a cura di Laura Fabbri e Giuseppe Carratta.
Fonti: Elisabeth Schopf, ATLAS Highlights from ICHEP 2022, 22 July 2022.
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