Higgs

di roberto C.A.

 

Pensierini della sera. Della notte dovrei dire, non ho altro tempo, ho deciso che le altre cose che dovrei fare, le farò domani.

Ho potuto leggere poco qui recentemente, e ho captato la parola semplificazione (e superficialità, punta dell’iceberg etc). E allora magari gioco un po’ mettendo insieme la semplificazione, la superficialità e il bosone di Higgs. Per far contento Mario.

Il semplificare i problemi è spesso una operazione necessaria per risolverli. Anche tecnicamente: abbiamo tutti imparato a “semplificare” le frazioni, e la metafora un po’ caricaturale che usano i fisici teorici “nell’approssimazione di mucca sferica” significa proprio l’aver tolto tutti i dettagli non essenziali per rendere un problema affrontabile. Però qui la parola chiave è “non essenziali”.  Altrimenti si rischia di ottenere soluzioni ad un problema diverso, in quanto ipersemplificato. E, sembra un po’ una cosa zen, è spesso la conoscenza dei dettagli che permette di sapere quali siano rimovibili senza danno. Si arriva alla semplicità passando per la complessità.

Andiamo quindi all’Higgs, prendendo a spunto un esempio di un “crackpot” che ho letto recentemente. Che sostiene che gli esperimenti al CERN non hanno “trovato” il bosone di Higgs, ma semplicemente un po’ di atomi di Tellurio (che ha circa la stessa massa, 127 volte quella di un protone). Usando l’accezione colloquiale del verbo “trovare”. Allora vorrei esporre, se riesco, la complessità di questo “trovare” il bosone di Higgs. Così racconto anche quello che faccio.

Nei due grandi esperimenti al CERN (si chiamano Atlas e CMS) si scontrano fasci di protoni. L’immagine (sovra)semplificata che molti hanno è che uno faccia scontrare due protoni, venga fuori un bosone di Higgs, e noi lo si guardi, in qualche modo. Lo si “trovi”. Vediamo un po’.

Nella realtà, si fanno scontrare dei pacchettini molto densi di protoni. Questo avviene circa 20 milioni di volte al secondo. Per molte ore, poi si ricarica il fascio e si ricomincia. Giorno e notte, per molti mesi. In un anno, tenendo conto dei tempi morti, manutenzioni etc. la macchina è in funzione circa un terzo del tempo, il che porta a circa diecimila miliardi di collisioni. Bene, direte, uno salva i dati su computer, e poi se li guarda con calma. Magari: la quantità dei dati raccolti dal rivelatore in ciascuna collisione (“evento” lo chiamiamo) è dell’ordine di un megabyte. Se dovessimo scrivere tutto, ci servirebbero 20 dischi moderni (da 1000 gigabyte) al secondo . Duecento milioni di dischi all’anno, non lontano da tutta la produzione mondiale.

Invece ci limitiamo a scrivere in media 500 eventi al secondo, 500 su 20 milioni, cioè uno ogni 40 mila in media. Ma possiamo scegliere a caso quali scrivere, uno a caso ogni 40 mila? Certo che no, altrimenti, perché faremmo così tante collisioni? Il bosone di Higgs viene prodotto molto raramente, non certo in tutte le collisioni. Nelle condizioni del 2012, circa una volta ogni 10 secondi. Ma, è molto peggio di così. L’Higgs non è una particella stabile, decade immediatamente in altre, e gran parte dei decadimenti sono indistinguibili da altri eventi più comuni. Per rivelarlo, bisogna scegliere dei modi di decadimento un po’ speciali. Per esempio, quello che ha dato l’indicazione più chiara della scoperta è stato il decadimento in due bosoni Z (quelli per cui Rubbia ha preso il Nobel), che a loro volta decadono in due elettroni ciascuno. Nelle condizioni del 2012, eventi del genere vengono prodotti un centinaio di volte l’anno. L’anno. Un centinaio su diecimila miliardi di collisioni (e poi si parla di aghi e pagliai). E’ evidente che se decidessi di scrivere a caso i risultati di una collisione su 40mila, la probabilità di beccare quelle pochissime giuste che contengono l’Higgs sarebbe sostanzialmente nulla. Bisogna selezionare un campione che contenga quelle giuste senza perderne nessuna (molto rapidamente, ce ne sono 20 milioni al secondo!). E questo è il compito di un sistema piuttosto complesso, che si chiama “trigger. E’ costruito su due livelli di scelta (il primo ne seleziona centomila al secondo su 20 milioni, e il secondo 500 di questi centomila). Tutto questo, ogni secondo. Il primo livello è fatto di elettronica fatta apposta (un sacco di elettronica), il secondo da computer (qualche migliaio di server). Io attualmente sono coordinatore del trigger di CMS.

Ma, chi ha avuto la forze di seguire i numeri finora si chiederà: perché scriverne 500 al secondo, se ne vengono prodotti un centinaio all’anno dei decadimenti che mi interessano? Una risposta è che si fanno anche un sacco di altri studi. Ma la risposta vera è che, naturalmente, ho ancora sovra-semplificato. Il decadimento che mi interessa è fatto da due coppie di elettroni, che provengono da due Z che a loro volta provengono dall’Higgs. Ma io “vedo” solo le quattro particelle finali. E, per quanto sia un decadimento abbastanza particolare, ci sono altri processi che producono lo stesso stato finale. Allora cosa faccio? Se vedo un evento con 4 elettroni, la cui energia è compatibile con la massa dell’Higgs, posso dire di avere visto un Higgs? Assolutamente no, potrebbe essere un’altra cosa, un “evento di fondo”. Non c’è un’etichetta che dice “sono io, mi avete trovato”. L’unica cosa che si può fare è raccoglierli tutti e fare un’analisi statistica, vedere come si distribuiscono le energie ricostruite, e vedere se c’è un eccesso rispetto a quanto mi aspetterei dal fondo.

E’ un po’ come se io dicessi: ho messo una carta in più in un mazzo da poker. Voi non potete contarle, potete solo estrarne una, segnarvi quale è, rimetterla dentro e rimescolare. E così via. Qualunque cosa estraiate, non potete dire se è quella cercata. E anche se estraete due volte di seguito l’asso di picche non potete dire nulla, è una cosa che può capitare. Solo dopo che avete fatto moltissime estrazioni siete in grado di dire che c’è un’anomalia: la donna di cuori esce troppo spesso. C’è il bosone di Higgs.

Nella figura qui sotto, c’è la distribuzione di cui parlo. L’Higgs è la parte con la curva rossa, il resto è fondo.

Immagine

Ecco, tutto questo per chiacchierare, ma anche per dire che spesso l’immagine che abbiamo di un problema, magari a causa della narrazione che ce ne viene fatta, è veramente troppo semplificata. E per questo tendo a diffidare di chi mi vende soluzioni semplici, rapide. Ci posso credere se sono un esperto, e concordo nella semplificazione. O se so che il “venditore” è esperto, e che posso fidarmi, non ha secondi fini. Altrimenti, l’esperienza mi insegna che le cose che conosco bene tendono ad essere complesse, e il fatto che possa non vedere la complessità in quelle che non conosco abbastanza, non le rende semplici, al massimo rende superficiale la mia analisi. E plausibilmente quella di chi ne millanta la semplicità. Superficiale, o strumentale.

PS, naturalmente nella descrizione della ricerca dell’Higgs ho semplificato molto. Ma, ritengo, ho tenuto le cose essenziali per quello che volevo dire.

PPS, non dimentico quanto scritto in passato, qui c’è l’articolo originale con la prima evidenza http://arxiv.org/pdf/1207.7235.pdf

 

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