Misurare la massa del bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è fondamentale per capire la fisica delle particelle. Aiuta a spiegare come le altre particelle ottengono massa. Questo articolo parla di come gli scienziati hanno misurato la massa del bosone di Higgs usando dati da Collisioni di particelle.

#L'importanza del bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è stato scoperto al Large Hadron Collider (LHC), che è un enorme acceleratore di particelle situato al CERN in Svizzera. Scienziati di vari paesi collaborano a esperimenti all'LHC. La scoperta del bosone di Higgs è stata significativa perché ha confermato una parte del Modello Standard della fisica delle particelle. Il Modello Standard descrive come le particelle fondamentali interagiscono tra loro.

#Comprendere le collisioni di particelle

Per studiare particelle come il bosone di Higgs, gli scienziati scontrano protoni insieme a velocità molto elevate. Questo crea condizioni simili a quelle subito dopo il Big Bang. Queste collisioni producono una varietà di particelle, incluso il bosone di Higgs. Tuttavia, il bosone di Higgs decade quasi immediatamente, il che significa che gli scienziati devono cercare i suoi prodotti di decadimento per confermare la sua esistenza e misurarne le proprietà.

#Raccolta dei dati

La misurazione discussa in questo articolo proviene da dati raccolti durante due diverse fasi dell'LHC, conosciute come Run 1 e Run 2. La Run 1 si è svolta a energie più basse (7 e 8 TeV), mentre la Run 2 ha operato a un'energia più alta di 13 TeV. Gli scienziati hanno raccolto un'enorme quantità di dati durante queste fasi, permettendo loro di fare misurazioni precise.

In totale, sono stati raccolti circa 140 femtobarn inversi (fb) di dati durante la Run 2. Un femtobarn inverso è un'unità usata nella fisica delle particelle per descrivere la quantità di dati raccolti dalle collisioni di particelle.

#Canali di decadimento e misurazione

Per misurare la massa del bosone di Higgs, gli scienziati si concentrano sul suo decadimento in due principali tipi di particelle: fotoni (particelle di luce) e leptoni (come elettroni e muoni). Ogni canale di decadimento fornisce informazioni diverse sulla massa del bosone di Higgs.

I due canali di decadimento più popolari per misurare la massa del bosone di Higgs sono:

1. Il decadimento in due fotoni.
2. Il decadimento in una coppia di leptoni di segno opposto (come due elettroni o due muoni).

Questi canali sono preferiti perché forniscono segnali chiari che possono essere distinti dal rumore di fondo creato durante le collisioni.

#Analisi dei dati

Gli scienziati usano software complessi per analizzare i dati registrati dalle collisioni. Questo software aiuta a filtrare il rumore di fondo e identificare eventi in cui potrebbe essere stato prodotto un bosone di Higgs.

Per il canale di decadimento dei fotoni, gli scienziati cercano eventi con due fotoni energetici. Analizzano la massa di questi fotoni per trovare un picco nella distribuzione della massa, che indica la presenza del bosone di Higgs. Adattando questa distribuzione usando metodi statistici, possono stimare la massa del bosone di Higgs.

Per il canale di decadimento dei leptoni, gli scienziati identificano coppie di leptoni di segno opposto e stesso sapore. Confrontano la massa di queste coppie con la massa nota del bosone Z per isolare gli eventi del bosone di Higgs.

#Raggiungere la precisione

L'obiettivo della misurazione della massa del bosone di Higgs è raggiungere un'alta precisione. L'articolo descrive come aggiornamenti recenti nelle tecniche e nei materiali hanno migliorato l'accuratezza di queste misurazioni. Calibrazioni migliorate per misurare energia e momento aiutano a ridurre le incertezze nelle misurazioni.

Ad esempio, miglioramenti nella calibrazione dell'energia dei fotoni hanno permesso agli scienziati di ottenere una precisione migliore del 30% in alcuni casi. Questo significa che le letture di energia dai fotoni sono ora più accurate, portando a misurazioni di massa più affidabili.

#Risultati

Le misurazioni combinate della massa del bosone di Higgs dai diversi canali di decadimento mostrano una massa di circa 125.11 GeV con incertezze molto piccole. Questa precisione è di circa lo 0.09%, che è impressionante nella fisica delle particelle.

I risultati della Run 2 sono stati combinati con i risultati precedenti della Run 1 per fornire un quadro più chiaro della massa del bosone di Higgs. Il risultato combinato da tutte le misurazioni dà agli scienziati fiducia nell'accuratezza della massa del bosone di Higgs.

#Incertezze sistematiche

Quando si misura la massa del bosone di Higgs, ci sono varie fonti di incertezza che gli scienziati devono considerare. Queste possono venire da diversi fattori, come:

• Errori di calibrazione nella misurazione delle energie delle particelle.
• Rumore di fondo durante la raccolta dei dati.
• Differenze nella modellizzazione dei processi fisici.

Comprendendo queste incertezze, gli scienziati possono migliorare le loro misurazioni e fornire stime migliori della massa del bosone di Higgs.

#Significato della misurazione

La misurazione precisa della massa del bosone di Higgs ha importanti implicazioni per la fisica delle particelle. Aiuta a verificare se le previsioni fatte dal Modello Standard sono corrette. Se i valori misurati deviano significativamente dai valori previsti, potrebbe indicare la necessità di nuova fisica oltre il Modello Standard.

#Ricerca continua

La ricerca non si ferma qui. Gli scienziati continuano ad analizzare più dati che saranno raccolti nelle future fasi dell'LHC. Con il miglioramento della tecnologia, ulteriori misurazioni precise delle proprietà del bosone di Higgs arricchiranno la nostra conoscenza della fisica delle particelle.

Studiare il bosone di Higgs e le sue interazioni con altre particelle è l'obiettivo degli scienziati per rispondere a domande fondamentali sull'universo e le forze in gioco.

#Collaborazione tra paesi

Il successo della scoperta del bosone di Higgs e delle misurazioni successive è una testimonianza della collaborazione internazionale nella scienza. Migliaia di scienziati, ingegneri e personale di supporto di vari paesi lavorano insieme al CERN per ottenere questi risultati straordinari.

Condividono conoscenze, risorse e idee, arricchendo la comunità scientifica globale. Questa collaborazione è fondamentale per risolvere problemi complessi e spingere oltre i confini di ciò che si conosce nella fisica.

#Conclusione

In sintesi, la misurazione della massa del bosone di Higgs usando dati da collisioni protoni-protoni dell'LHC è un risultato significativo nella fisica moderna. La conoscenza precisa di questa massa aiuta a confermare la validità del Modello Standard e apre porte a nuove strade di ricerca.

Mentre gli scienziati continuano a indagare le proprietà del bosone di Higgs, mirano a approfondire la nostra comprensione dell'universo. Questo costante desiderio di conoscenza è ciò che guida il progresso scientifico e l'innovazione.