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L'esperimento CMS ha pubblicato un articolo in cui viene studiata per la prima volta una proprietà - come vedremo, la cosiddetta "parità" - della nuova particella recentemente osservata al collisionatore LHC del CERN. Questo studio contribuisce a rafforzare l'ipotesi che la particella sia effettivamente il bosone di Higgs , di cui abbiamo gia' parlato nel nostro Forum ( vedi articolo ). L'argomento dello studio effettuato è illustrato nella figura qui sotto.


Il 4 luglio scorso gli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider del CERN hanno annunciato la scoperta di una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs, la cui ricerca proseguiva da circa 50 anni. La nuova particella è stata osservata ricostruendo due dei suoi possibili decadimenti: in due fotoni, e in quattro leptoni ossia più precisamente in due coppie di elettroni o muoni. In entrambi i decadimenti la massa della particella risulta essere intorno ai 126 GeV/c2, valore compatibile con le attese teoriche che tengono in conto le precedenti misure di precisione dei parametri del cosiddetto Modello Standard delle Particelle Elementari.

I ricercatori di ATLAS e CMS sono stati finora cauti sulla natura della nuova particella, dichiarando che nuove misure sono necessarie prima di poter affermare definitivamente che la particella scoperta sia effettivamente il bosone di Higgs, previsto sin del 1964 e richiesto per una completa conferma del Modello Standard.

Stando infatti alle misure fatte, la particella risultava compatibile sia con il bosone di Higgs che con altri possibili tipi di particella ipotizzati in modelli teorici più "esotici" del Modello Standard. Dopo aver provato l'esistenza della nuova particella, l'attività di analisi dei dati degli esperimenti si è concentrata sullo studio delle sue proprietà e nel verificare se queste siano compatibili con quanto previsto per il bosone di Higgs, o se siano invece diverse.

Una nuova ed importante prova in suo favore è stata ora pubblicata dalla collaborazione CMS. L' esperimento CMS ha misurato per la prima volta la cosiddetta parità del nuovo bosone. La parità è quella proprietà che descrive come una quantità fisica si comporta se si effettua una trasformazione come quella che porta da un oggetto alla sua immagine riflessa in uno specchio. Questa "trasformazione di parità" porta a scambiare destra con sinistra e senso orario con senso antiorario di rotazione. Matematicamente essa si realizza con l'inversione del segno delle coordinate spaziali. Non tutte le quantità fisiche restano invariate se si effettua una trasformazione di parità, così come non lo restano alcune delle proprietà delle particelle elementari.

Un esempio di oggetti di uso comune che si comportano in maniera diversa per trasformazioni di parità ci viene dato da un chiodo e da una vite. Se prendiamo a martellate un chiodo o una sua copia speculare, essi penetrano in un'asse di legno entrambi allo stesso modo. Se invece con un cacciavite proviamo ad avvitare nel solito senso orario una vite realizzata con la filettatura speculare rispetto a quelle usualmente in commercio, non riusciremo a farla penetrare nel legno: una trasformazione di parità cambia le cose.


Le particelle subatomiche, come chiodi e viti, possiedono una parità intrinseca, che chiameremo semplicemente loro parità. Se una particella con momento angolare di spin (in breve spin) nullo - come il bosone di Higgs - ha proprietà identiche alla sua immagine speculare, essa viene detta scalare e le si assegna per convenzione un valore della parità positivo. Se invece ha proprietà che diventano opposte, la particella viene detta pseudoscalare e le si assegna un valore della parità negativo.

Nel Modello Standard il bosone di Higgs deve essere uno scalare, mentre altri modelli prevedono la presenza di particelle simili al bosone di Higgs ma pseudoscalari.

Lo studio della parità della nuova particella utilizza i decadimenti in quattro leptoni e è basato sulla misura degli angoli tra queste quattro particelle dello stato finale, associate in due coppie di elettroni o muoni che provengono dal decadimento di due particelle Z . In sintesi, il decadimento a catena è H → ZZ → 4 leptoni. Questa analisi angolare per lo studio della parità è stata fatta nell'ipotesi che la nuova particella abbia spin zero, come previsto per il bosone di Higgs.

Una misura della (in)compatibilità della distribuzione angolare osservata con una delle due ipotesi possibili viene quantificata statisticamente con la determinazione di un livello di significatività . Si trova che se la particella fosse pseudoscalare, solamente con una probabilità dello 0.074% si osserverebbe una distribuzione angolare come quella osservata. Se invece la particella è scalare la probabilità è del 70%. Il risultato è quindi a favore dell'ipotesi di una particella scalare come previsto per il bosone di Higgs.

L'analisi dei dati di LHC continua e saranno presto misurate altre proprietà del nuovo bosone, in particolare si cercherà di misurare altri canali di decadimento oltre ai due già osservati. Più precise saranno queste misure, più accurato potrà essere il confronto con le proprietà previste teoricamente per il bosone di Higgs. L'energia delle collisioni va quindi portata dagli attuali 8 TeV fino a 14 TeV, e va per quanto possibile aumentata l'intensità dei fasci di protoni. La presa dati di LHC è stata da poco sospesa per realizzare gli interventi necessari. Essa riprenderà tra circa due anni.



L'articolo di CMS è stato pubblicato su Phys. Rev. Lett. 110, 081803 (2013)