Significativita' osservata di eccessi nello spettro di due fotoni in funzione della massa e della larghezza ipotizzata.

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Aggiornamento dei risultati sullo spettro in due fotoni a Moriond EW

24 May , 2016  

Autori: Biagio Di Micco, Ruggero Turra

Giovedì 17 marzo 2016, durante la 51° edizione della conferenza “Rencontres de Moriond EW”, le collaborazioni ATLAS e CMS hanno presentato un aggiornamento sulla ricerca di nuove risonanze ad alta massa nel decadimento a due fotoni usando collisioni protone-protone dell’acceleratore LHC a 13 TeV. Lo stesso canale di decadimento era stato di grande importanza per la scoperta del bosone di Higgs nel 2012 a massa molto inferiore. Questi nuovi risultati aggiornano quanto mostrato all’ “End of Year Event” di dicembre, in cui entrambi gli esperimenti avevano trovato un modesto eccesso, non previsto dal Modello Standard, nella regione di massa invariante intorno ai 750 GeV. Il Modello Standard prevedere la produzione di coppie di fotoni da interazioni protone-protone (come quelle di LHC) con una distribuzione in massa invariante decrescente e le predizioni teoriche sono in buon accordo con le osservazioni sperimentali. Queste analisi si concentrano quindi nella ricerca di una deviazione, in particolare di un eccesso localizzato, sopra un fondo continuo. ATLAS ha mostrato una ricerca di due modelli, uno per spin-0 e uno per spin-2 (gravitone Randall–Sundrum), ottimizzando due diverse selezioni. In entrambi i casi l’eccesso è stato confermato ed è stata valutata la sua significanza statistica. Questa quantità quantifica la probabilità che i dati siano compatibili con l’ipotesi di solo fondo, cioè che l’eccesso osservato sia dovuto ad una fluttuazione statistica. Convenzionalmente si parla di scoperta quando la significanza è maggiore di “5 sigma” che corrisponde ad una probabilità molto piccola \left(10^{-7}\right). Nei dai analizati la significanza (locale) dell’eccesso intorno ai 750 GeV è di 3.9 sigma nel caso spin-0 e 3.6 nel caso spin-2. Per il caso spin-0 la sifignicanza è invariata rispetto all’analisi precedente, mentre il caso spin-2 è un nuovo risultato. Questo numero in realtà deve essere corretto per il “look elsewhere effect” che tiene conto del fatto che il possibile segnale è stato cercato in uno spazio di parametri molto ampio, in quanto non se ne conosce la massa e la larghezza. Dopo questa correzione la significanza “globale” è di 2.0 sigma per il caso spin-0 e 1.8 sigma per il caso spin-2. In entrambi i casi la larghezza dell’eccesso è intorno al 6-7 % rispetto alla sua massa. ATLAS ha anche rianalizzato i dati raccolti nel 2012, con collisioni ad 8 TeV, cercando un eccesso nello stesso canale, intorno a 750 GeV di massa invariante. In questo caso i risultati per i casi spin-0 e spin-2 mostrano una differenza maggiore. Infatti con la selezione ottimizzata per spin-2 nessun eccesso è visibile nei dati, mentre con la selezione ottimizata per spin-0 si osserva un eccesso a 750 GeV con una significanza locale di 1.9 sigma. La compatibilità tra i dati a 8 TeV e quelli a 13 TeV è tra 1.2 sigma e 3.3 sigma, a seconda della selezione e del modello di produzione ipotizzato (gluone-gluone o quark-antiquark). Anche CMS ha aggiornato la propria analisi. I maggiori miglioramenti sono dovuti all’utilizzo dei dati presi senza campo magnetico e al miglioramento dalla risoluzione energetica dei fotoni. CMS, come ATLAS, ha cercato per risonanze di tipo spin-0 e spin-2. Con i dati a 13 TeV CMS, come già precedentemente mostrato, ha ottenuto una significanza inferiore a quella di ATLAS, intorno ai 2.8-2.9 sigma (era 2.6 all’End of Year Event), che diventano <1 sigma quando si tiene conto del “look elsewhere effect”. Combinando questo risultato, con i dati a 8 TeV, CMS ha trovato una significanza di 3.4 sigma (erano 3.0 all’End of Year Event), che diventano 1.6 globali. Concludendo, entrambi gli esperimenti hanno mostrato un’interessante anomalia nel canale a due fotoni, ma non è ancora possibile escludere che l’eccesso che è stato osservato non sia altro che una fluttuazione statistica. In questi giorni LHC si sta lentamente risvegliando, dopo la lunga pausa invernale, e solamente con nuovi dati sarà possibile trarre delle conclusioni.

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