giovedì 27 settembre 2012
Futuro Open-Access Per le Pubblicazioni Scientifiche di Fisica delle Particelle
Futuro Open-Access Per le Pubblicazioni Scientifiche di Fisica delle Particelle: L'intero campo della fisica delle particelle sta per effettuare uno storico passaggio alla pubblicazione open-access, una pietra miliare importante sulla strada per rendere i risultati delle ricerche gratuitamente disponibili per tutti gli lettori del mondo. Per la verità, rispetto agli altri campi, il mondo della fisica delle particelle è già molto aperto in questo senso, [...]
sabato 15 settembre 2012
UNA NUOVA PAGINA DI FISICA A LHC
UNA NUOVA PAGINA DI FISICA A LHC:
Per la prima volta, nella notte tra il 13 e il 14 settembre, al Large Hadron Collider sono state effettuate collisioni di protoni con ioni di piombo. Si tratta, commenta Paolo Giubellino, spokesperson dell’esperimento ALICE “dell’ apertura di una nuova pagina di fisica a LHC”. Si tratta anche di una sfida tecnologica importante perché, per poter circolare nella stessa macchina, il fascio di protoni e quello di nuclei devono essere a energie diverse, poiché i nuclei sono fatti non solo di protoni ma anche di neutroni. Queste differenze hanno generato instabilità negli altri collider in cui è stato provato un esperimento simile, mentre, come dice Giubellino, “LHC si è dimostrato una macchina di grande flessibilità. Siamo entusiasti dei risultati di questi prime collisioni, che sono uno strumento indispensabile per capire la struttura dei nuclei e quindi interpretare i dati sul quark gluon plasma, e siamo molto impazienti di studiarle in un percorso dedicato previsto per il mese di gennaio”.
Per la prima volta, nella notte tra il 13 e il 14 settembre, al Large Hadron Collider sono state effettuate collisioni di protoni con ioni di piombo. Si tratta, commenta Paolo Giubellino, spokesperson dell’esperimento ALICE “dell’ apertura di una nuova pagina di fisica a LHC”. Si tratta anche di una sfida tecnologica importante perché, per poter circolare nella stessa macchina, il fascio di protoni e quello di nuclei devono essere a energie diverse, poiché i nuclei sono fatti non solo di protoni ma anche di neutroni. Queste differenze hanno generato instabilità negli altri collider in cui è stato provato un esperimento simile, mentre, come dice Giubellino, “LHC si è dimostrato una macchina di grande flessibilità. Siamo entusiasti dei risultati di questi prime collisioni, che sono uno strumento indispensabile per capire la struttura dei nuclei e quindi interpretare i dati sul quark gluon plasma, e siamo molto impazienti di studiarle in un percorso dedicato previsto per il mese di gennaio”.
martedì 4 settembre 2012
Come fare ricerca dopo il bosone di Higgs
Come fare ricerca dopo il bosone di Higgs:
Son passati due mesi da quel 4 luglio, giorno in cui Fabiola Giannotti annunciava dal Cern di Ginevra la scoperta del bosone di Higgs (sempre che si riveli tale). Ben lungi da essere un punto di arrivo, la scoperta effettuata grazie al Large Hadron Collider (Lhc), il più grande acceleratore di particelle del mondo, lascia spazio a numerose domande alle quali i ricercatori devono ora trovare risposta. E non è detto, come spiega Nature, che abbiano a disposizione gli strumenti necessari per riuscirci.
Cosa può fare ancora Lhc Per rispondere ad alcune di queste domande si può ancora fare affidamento su Lhc. Per esempio, l'acceleratore di Ginevra può aiutare i fisici a capire se il bosone individuato è proprio la particella di dio descritta dal Modello Standard (teoria che spiega il comportamento delle particelle elementari dell'Universo visibile e alcune delle forze grazie alle quali esse interagiscono), o se invece è una particella molto più complessa: uno dei vari, ipotetici, bosoni di Higgs.
Per cominciare, l'enorme macchina che ruggisce nel sottosuolo svizzero potrebbe permettere di determinare lo spin della nuova particella. Secondo quanto predetto da Peter Higgs e dai fisici teorici, il campo di Higgs è scalare: le sue proprietà, cioè, non dipendono dalla direzione. Se è così, allora lo spin del bosone deve essere zero. Come misurarlo? Dal momento che di un bosone stiamo parlando, per ora i fisici possono solo inferire che questo valore sarà un numero intero e che i due fotoni in cui decade la particella non potranno avere uno spin di valore uno.
Il Large Hadron Collider potrebbe anche confermare le previsioni del Modello Standard in merito all'interazione tra il bosone e un altro tipo di particelle elementari, i fermioni: quark e leptoni (elettroni, muoni e tauoni). L'interazione con ognuna di queste dovrebbe essere direttamente proporzionale alla loro massa, anche perché, secondo il modello, è proprio questa interazione con l'Higgs che conferisce la massa alle particelle.
Per ora, dicono dal Cern, le interazioni di questo nuovo bosone con le altre particelle confermano le predizioni con un'incertezza pari al 30-40 per cento. Questa diminuirà al 20 per cento entro la fine dell'anno e potrebbe scendere ancora nei prossimi 10-15 anni; tuttavia, non arriverà mai all'1 per cento (né, tanto meno, a quello 0,1% che desidererebbero gli scienziati). Altra cosa che difficilmente potrà fare l'Lhc è permettere di studiare l'interazione tra due bosoni di Higgs.
In cerca di alternative I limiti dell'acceleratore stanno spingendo gli scienziati a cercare fabbriche di Higgs alternative dove studiare questa nuova classe di particelle. Alcune saranno vagliate dagli esperti che parteciperanno all'European Strategy for Particle Physics Workshop di Cracovia, in Polonia, dal 10 al 12 settembre, e dai loro colleghi statunitensi il prossimo giugno, durante un meeting a Snowmass, in Colorado.
Una delle proposte più popolari è quella di collisori di leptoni. Infatti, poiché queste particelle interagiscono attraverso forze deboli, le loro collisioni possono essere predisposte per ottenere particelle di particolare massa, e producono un insieme di prodotti che sarebbe molto semplice da studiare e interpretare.
Di questa categoria fa parte un collisore ancora in via di ideazione che viene chiamato Lep 3 in onore del Lep, il Large Electron-Positron Collider che era ospitato dal tunnel di Lhc prima che questo venisse costruito. A suo favore gioca il fatto che potrebbe essere costruito accanto a Lhc, nello stesso tunnel, e che quindi potrebbe sfruttare alcune delle infrastrutture già presenti. In questo modo i costi per la sua realizzazione scenderebbero notevolmente, arrivando a circa 1-2 miliardi di dollari, contro gli oltre sei miliardi di Lhc. Il Lep 3 sarebbe perfetto per studiare l'Higgs, ma le sue basse energie non permetterebbero di produrre e studiare particelle più pesanti come quelle previste dalla teoria della supersimmetria.
Un'altra alternativa è un collisore di muoni, particelle che hanno una massa pari a 207 volte quella degli elettroni. Questo sarebbe molto più piccolo dell'eventuale LeP 3, con una circonferenza di appena 1,5 chilometri, e potrebbe produrre decide di migliaia di bosoni di Higgs usando un'energia molto bassa. Tuttavia, i muoni decadono in elettroni e neutrini in appena 2,2 nanosecondi, un tempo troppo piccolo per tutte le procedure che sarebbero necessarie.
Soluzione completamente diversa, ma in uno stadio di progettazione molto più avanzato, è quella di uncollisore lineare elettroni-positroni, come l'International Linear Collider (Ilc). Al progetto lavora da tempo un consorzio internazionale di fisici. Per ora il costo previsto è di 6,7 miliardi di dollari. Suo rivale diretto nel campo degli acceleratori lineari è il Clic, il Compact Linear Collider sponsorizzato dal Cern, che al momento, però, esiste solo in forma di concept. Entrambi hanno i loro vantaggi, motivo per cui l'International Commitee for Future Acceleratore, di base al Fermilab di Batavia (Usa), sta esaminando una possibile fusione di questi due progetti in uno nuovo di zecca; ci sarà una proposta definitiva entro il 2015.
Ma dove costruire un eventuale nuovo acceleratore? Se un acceleratore lineare dovesse risultare l'alternativa più desiderabile per lo studio di Higgs e di altre particelle che seguiranno, prima di poter precedere con i lavori di costruzione bisognerebbe stabilire dove costruirlo. L' Europa sembra da escludersi: "La priorità più alta che emergerà dal workshop europeo sarà quella di sfruttare al massimo il potenziale di Lhc e di procedere con i suoi upgrading", conferma John Womersley, del Science and Tecnologiy Facilities Council britannico.
Improbabile anche un'ospitalità statunitense. Dopo la chiusura del Tevatron lo scorso settembre, gli States hanno abbandonato la frontiera delle alte energie a favore di quella delle alte intensità e nei prossimi anni si dedicheranno allo studio delle particelle rare e delle interazioni elusive, come quelle tra fasci intensi di neutrini.
La location più probabile sembra invece il Giappone che, del resto, ha contribuito in maniera significativa al finanziamento di Lhc ed è pronto a vedersi restituito il favore. Il Premier giapponese, lo scorso dicembre, ha dato una valutazione positiva dell'ILC, e potrebbe spingere per un finanziamento extra da parte del governo se questo progetto contribuisse alla riqualificazione della zona devastata dallo tsunami del marzo 2011. L'idea sarebbe quella di realizzare in quell'area una città internazionale costituita da laboratori di ricerca, zone industriali e università. Così ci sarebbe un Lhc dedito all'esplorazione delle alte energie in Europa, diversi centri focalizzati sullo studio dei neutrini negli Stati Uniti e un nuovo collisore di leptoni in Giappone. Un panorama ideale per il futuro della fisica delle particelle.
via wired.it
Credit immagine a Image Editor
Son passati due mesi da quel 4 luglio, giorno in cui Fabiola Giannotti annunciava dal Cern di Ginevra la scoperta del bosone di Higgs (sempre che si riveli tale). Ben lungi da essere un punto di arrivo, la scoperta effettuata grazie al Large Hadron Collider (Lhc), il più grande acceleratore di particelle del mondo, lascia spazio a numerose domande alle quali i ricercatori devono ora trovare risposta. E non è detto, come spiega Nature, che abbiano a disposizione gli strumenti necessari per riuscirci.
Cosa può fare ancora Lhc Per rispondere ad alcune di queste domande si può ancora fare affidamento su Lhc. Per esempio, l'acceleratore di Ginevra può aiutare i fisici a capire se il bosone individuato è proprio la particella di dio descritta dal Modello Standard (teoria che spiega il comportamento delle particelle elementari dell'Universo visibile e alcune delle forze grazie alle quali esse interagiscono), o se invece è una particella molto più complessa: uno dei vari, ipotetici, bosoni di Higgs.
Per cominciare, l'enorme macchina che ruggisce nel sottosuolo svizzero potrebbe permettere di determinare lo spin della nuova particella. Secondo quanto predetto da Peter Higgs e dai fisici teorici, il campo di Higgs è scalare: le sue proprietà, cioè, non dipendono dalla direzione. Se è così, allora lo spin del bosone deve essere zero. Come misurarlo? Dal momento che di un bosone stiamo parlando, per ora i fisici possono solo inferire che questo valore sarà un numero intero e che i due fotoni in cui decade la particella non potranno avere uno spin di valore uno.
Il Large Hadron Collider potrebbe anche confermare le previsioni del Modello Standard in merito all'interazione tra il bosone e un altro tipo di particelle elementari, i fermioni: quark e leptoni (elettroni, muoni e tauoni). L'interazione con ognuna di queste dovrebbe essere direttamente proporzionale alla loro massa, anche perché, secondo il modello, è proprio questa interazione con l'Higgs che conferisce la massa alle particelle.
Per ora, dicono dal Cern, le interazioni di questo nuovo bosone con le altre particelle confermano le predizioni con un'incertezza pari al 30-40 per cento. Questa diminuirà al 20 per cento entro la fine dell'anno e potrebbe scendere ancora nei prossimi 10-15 anni; tuttavia, non arriverà mai all'1 per cento (né, tanto meno, a quello 0,1% che desidererebbero gli scienziati). Altra cosa che difficilmente potrà fare l'Lhc è permettere di studiare l'interazione tra due bosoni di Higgs.
In cerca di alternative I limiti dell'acceleratore stanno spingendo gli scienziati a cercare fabbriche di Higgs alternative dove studiare questa nuova classe di particelle. Alcune saranno vagliate dagli esperti che parteciperanno all'European Strategy for Particle Physics Workshop di Cracovia, in Polonia, dal 10 al 12 settembre, e dai loro colleghi statunitensi il prossimo giugno, durante un meeting a Snowmass, in Colorado.
Una delle proposte più popolari è quella di collisori di leptoni. Infatti, poiché queste particelle interagiscono attraverso forze deboli, le loro collisioni possono essere predisposte per ottenere particelle di particolare massa, e producono un insieme di prodotti che sarebbe molto semplice da studiare e interpretare.
Di questa categoria fa parte un collisore ancora in via di ideazione che viene chiamato Lep 3 in onore del Lep, il Large Electron-Positron Collider che era ospitato dal tunnel di Lhc prima che questo venisse costruito. A suo favore gioca il fatto che potrebbe essere costruito accanto a Lhc, nello stesso tunnel, e che quindi potrebbe sfruttare alcune delle infrastrutture già presenti. In questo modo i costi per la sua realizzazione scenderebbero notevolmente, arrivando a circa 1-2 miliardi di dollari, contro gli oltre sei miliardi di Lhc. Il Lep 3 sarebbe perfetto per studiare l'Higgs, ma le sue basse energie non permetterebbero di produrre e studiare particelle più pesanti come quelle previste dalla teoria della supersimmetria.
Un'altra alternativa è un collisore di muoni, particelle che hanno una massa pari a 207 volte quella degli elettroni. Questo sarebbe molto più piccolo dell'eventuale LeP 3, con una circonferenza di appena 1,5 chilometri, e potrebbe produrre decide di migliaia di bosoni di Higgs usando un'energia molto bassa. Tuttavia, i muoni decadono in elettroni e neutrini in appena 2,2 nanosecondi, un tempo troppo piccolo per tutte le procedure che sarebbero necessarie.
Soluzione completamente diversa, ma in uno stadio di progettazione molto più avanzato, è quella di uncollisore lineare elettroni-positroni, come l'International Linear Collider (Ilc). Al progetto lavora da tempo un consorzio internazionale di fisici. Per ora il costo previsto è di 6,7 miliardi di dollari. Suo rivale diretto nel campo degli acceleratori lineari è il Clic, il Compact Linear Collider sponsorizzato dal Cern, che al momento, però, esiste solo in forma di concept. Entrambi hanno i loro vantaggi, motivo per cui l'International Commitee for Future Acceleratore, di base al Fermilab di Batavia (Usa), sta esaminando una possibile fusione di questi due progetti in uno nuovo di zecca; ci sarà una proposta definitiva entro il 2015.
Ma dove costruire un eventuale nuovo acceleratore? Se un acceleratore lineare dovesse risultare l'alternativa più desiderabile per lo studio di Higgs e di altre particelle che seguiranno, prima di poter precedere con i lavori di costruzione bisognerebbe stabilire dove costruirlo. L' Europa sembra da escludersi: "La priorità più alta che emergerà dal workshop europeo sarà quella di sfruttare al massimo il potenziale di Lhc e di procedere con i suoi upgrading", conferma John Womersley, del Science and Tecnologiy Facilities Council britannico.
Improbabile anche un'ospitalità statunitense. Dopo la chiusura del Tevatron lo scorso settembre, gli States hanno abbandonato la frontiera delle alte energie a favore di quella delle alte intensità e nei prossimi anni si dedicheranno allo studio delle particelle rare e delle interazioni elusive, come quelle tra fasci intensi di neutrini.
La location più probabile sembra invece il Giappone che, del resto, ha contribuito in maniera significativa al finanziamento di Lhc ed è pronto a vedersi restituito il favore. Il Premier giapponese, lo scorso dicembre, ha dato una valutazione positiva dell'ILC, e potrebbe spingere per un finanziamento extra da parte del governo se questo progetto contribuisse alla riqualificazione della zona devastata dallo tsunami del marzo 2011. L'idea sarebbe quella di realizzare in quell'area una città internazionale costituita da laboratori di ricerca, zone industriali e università. Così ci sarebbe un Lhc dedito all'esplorazione delle alte energie in Europa, diversi centri focalizzati sullo studio dei neutrini negli Stati Uniti e un nuovo collisore di leptoni in Giappone. Un panorama ideale per il futuro della fisica delle particelle.
via wired.it
Credit immagine a Image Editor
sabato 18 agosto 2012
Da LHC uno sguardo alla "zuppa primordiale" di particelle
Da LHC uno sguardo alla "zuppa primordiale" di particelle: 
Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra non è dedicato solo alla ricerca del bosone di Higgs: dallo studio delle collisioni di ioni pesanti vengono importanti indicazioni per la ...
Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra non è dedicato solo alla ricerca del bosone di Higgs: dallo studio delle collisioni di ioni pesanti vengono importanti indicazioni per la ...
lunedì 23 luglio 2012
Il "cinque sigma", questo sconosciuto
Il "cinque sigma", questo sconosciuto: 
Annunciando gli ultimi risultati della caccia al bosone di Higgs, i ricercatori del CERN di Ginevra hanno citato più volte un misterioso livello di probabilità, chiamato ...
Annunciando gli ultimi risultati della caccia al bosone di Higgs, i ricercatori del CERN di Ginevra hanno citato più volte un misterioso livello di probabilità, chiamato ...
martedì 10 luglio 2012
Certezze e dubbi sul bosone di Higgs
Certezze e dubbi sul bosone di Higgs:
“No, non può ripetersi la delusione dei neutrini superluminari. Qui la scoperta c’è. Abbiamo trovato una nuova particella, mai vista prima, questo è certo. Non ci potranno essere smentite”. Sono le parole di Fabiola Gianotti, la ricercatrice a capo di uno dei due esperimenti al Cern che hanno portato all'annuncio dello scorso 4 luglio sul bosone di Higgs, intervistata da Wired.it (vedi Galileo, E' ufficiale: ecco il bosone di Higgs). Che aggiungeva, però: “Ora si tratta solo di capire se è il bosone standard o se la faccenda è più complicata”. Ma, esattamente, cosa si sa e cosa no sull'identità della famigerata particella? New Scientist lo spiega in una sorta di vademecum.
È un bosone Quella appena scoperta è una particella elementare. Questi mattoncini della materia sono raggruppati in due grandi famiglie: i fermioni – divisi, a loro volta, in quark e leptoni (con i neutrini, gli elettroni, i muoni e tauoni) – e i bosoni, che contano tra le loro fila i fotoni, il bosone W e Z (la cui scoperta è valsa il Premio Nobel a Carlo Rubbia e a Simon van der Meer, nel 1984). La nuova arrivata è di certo di questo ultimo tipo. Il motivo? Tra le varie "cose" che si producono quando decade, ci sono coppie di fotoni ad alta energia (raggi gamma), e questa è una proprietà che solo i bosoni hanno.
È compatibile con l'Higgs Quanto siamo certi che sia proprio la particella a lungo cercata? Difficile rispondere. L'unica cosa che si può dire con certezza è che questa particella è compatibile con l'Higgs secondo quanto previsto dal Modello Standard. Non ci sono motivi, al momento, per sospettare che sia qualcosa di diverso. Però potrebbero anche esistere molti tipi diversi di bosone di Higgs.
Gli indizi Come spiegano i ricercatori del Cern, alcune proprietà collimano con le predizioni del modello teorico: il punto (i canali) in cui è stato osservato e la massa, suggerita anche da altre misure indirette. Nei prossimi mesi i gruppi di lavoro dell'Lhc cercheranno di chiarire se questo è davvero il bosone di Higgs, se è una prima particella di una grande famiglia o se si tratti di qualcosa di completamente diverso.
Verso la prima prova che sia davvero l'Higgs Per la fine dell'anno si dovrebbero avere le prime prove che alcune sue caratteristiche sono le stesse attese per il bosone di Higgs. Per prima cosa si cercherà di determinare il suo spin. Secondo quanto predetto da Peter Higgs e dai fisici teorici, infatti, il campo di Higgs è scalare: le sue proprietà, cioè, non dipendono dalla direzione. Se è così, allora lo spin del bosone deve essere zero. Come misurarlo? Dal momento che di un bosone stiamo parlando, per ora i fisici possono solo inferire che questo valore sarà un numero intero e che i due fotoni in cui decade la particella non potranno avere uno spin di valore 1.
Come è fatto questo bosone È possibile che il bosone di Higgs non sia esattamente come i ricercatori se lo erano immaginato (vedi Galileo, Il giorno della verità per il bosone di Higgs). Come sottolineava sempre Gianotti, è presto per trarre conclusioni. Ci potrebbero essere scenari diversi, al di là del Modello Standard, come quelli previsti dalla teoria della supersimmetria, o versioni estese dello stesso Modello Standard che cercano una spiegazione anche alla materia oscura.
Lo ha ricordato anche Guido Martinelli, fisico teorico e direttore della Scuola superiore di studi avanzati (Sissa) di Trieste: “Il problema è che il Modello Standard non permette di dare risposte a domande come: cos’è la materia oscura? Qual è il rapporto tra materia e antimateria? Negli anni sono state sviluppate teorie alternative, in grado di rispondere meglio ai diversi problemi. Ma, in quei casi, le particelle mancanti sarebbero molte di più e finora gli esperimenti non hanno trovato niente. È possibile che questa nuova particella faccia in realtà parte di un Modello Standard esteso. Questo però lo potremo sapere solo continuando a fare ricerca sia da un punto di vista sperimentale che teorico”.
via wired.it
Credit immagine: Infn
“No, non può ripetersi la delusione dei neutrini superluminari. Qui la scoperta c’è. Abbiamo trovato una nuova particella, mai vista prima, questo è certo. Non ci potranno essere smentite”. Sono le parole di Fabiola Gianotti, la ricercatrice a capo di uno dei due esperimenti al Cern che hanno portato all'annuncio dello scorso 4 luglio sul bosone di Higgs, intervistata da Wired.it (vedi Galileo, E' ufficiale: ecco il bosone di Higgs). Che aggiungeva, però: “Ora si tratta solo di capire se è il bosone standard o se la faccenda è più complicata”. Ma, esattamente, cosa si sa e cosa no sull'identità della famigerata particella? New Scientist lo spiega in una sorta di vademecum.
È un bosone Quella appena scoperta è una particella elementare. Questi mattoncini della materia sono raggruppati in due grandi famiglie: i fermioni – divisi, a loro volta, in quark e leptoni (con i neutrini, gli elettroni, i muoni e tauoni) – e i bosoni, che contano tra le loro fila i fotoni, il bosone W e Z (la cui scoperta è valsa il Premio Nobel a Carlo Rubbia e a Simon van der Meer, nel 1984). La nuova arrivata è di certo di questo ultimo tipo. Il motivo? Tra le varie "cose" che si producono quando decade, ci sono coppie di fotoni ad alta energia (raggi gamma), e questa è una proprietà che solo i bosoni hanno.
È compatibile con l'Higgs Quanto siamo certi che sia proprio la particella a lungo cercata? Difficile rispondere. L'unica cosa che si può dire con certezza è che questa particella è compatibile con l'Higgs secondo quanto previsto dal Modello Standard. Non ci sono motivi, al momento, per sospettare che sia qualcosa di diverso. Però potrebbero anche esistere molti tipi diversi di bosone di Higgs.
Gli indizi Come spiegano i ricercatori del Cern, alcune proprietà collimano con le predizioni del modello teorico: il punto (i canali) in cui è stato osservato e la massa, suggerita anche da altre misure indirette. Nei prossimi mesi i gruppi di lavoro dell'Lhc cercheranno di chiarire se questo è davvero il bosone di Higgs, se è una prima particella di una grande famiglia o se si tratti di qualcosa di completamente diverso.
Verso la prima prova che sia davvero l'Higgs Per la fine dell'anno si dovrebbero avere le prime prove che alcune sue caratteristiche sono le stesse attese per il bosone di Higgs. Per prima cosa si cercherà di determinare il suo spin. Secondo quanto predetto da Peter Higgs e dai fisici teorici, infatti, il campo di Higgs è scalare: le sue proprietà, cioè, non dipendono dalla direzione. Se è così, allora lo spin del bosone deve essere zero. Come misurarlo? Dal momento che di un bosone stiamo parlando, per ora i fisici possono solo inferire che questo valore sarà un numero intero e che i due fotoni in cui decade la particella non potranno avere uno spin di valore 1.
Come è fatto questo bosone È possibile che il bosone di Higgs non sia esattamente come i ricercatori se lo erano immaginato (vedi Galileo, Il giorno della verità per il bosone di Higgs). Come sottolineava sempre Gianotti, è presto per trarre conclusioni. Ci potrebbero essere scenari diversi, al di là del Modello Standard, come quelli previsti dalla teoria della supersimmetria, o versioni estese dello stesso Modello Standard che cercano una spiegazione anche alla materia oscura.
Lo ha ricordato anche Guido Martinelli, fisico teorico e direttore della Scuola superiore di studi avanzati (Sissa) di Trieste: “Il problema è che il Modello Standard non permette di dare risposte a domande come: cos’è la materia oscura? Qual è il rapporto tra materia e antimateria? Negli anni sono state sviluppate teorie alternative, in grado di rispondere meglio ai diversi problemi. Ma, in quei casi, le particelle mancanti sarebbero molte di più e finora gli esperimenti non hanno trovato niente. È possibile che questa nuova particella faccia in realtà parte di un Modello Standard esteso. Questo però lo potremo sapere solo continuando a fare ricerca sia da un punto di vista sperimentale che teorico”.
via wired.it
Credit immagine: Infn
mercoledì 4 luglio 2012
Un bosone c'è: è quello di Higgs?
Un bosone c'è: è quello di Higgs?: Questa mattina, con un seminario e una conferenza stampa che nelle settimane passate sono state oggetto di grande attesa e di molte speculazioni (e che si possono vedere integralmente qui), gli scienziati del CERN che lavorano all'esperimento LHC hanno annunciato gli ultimi risultati a proposito della ricerca del bosone di Higgs. La sintesi è che i due esperimenti ATLAS e CMS hanno scoperto indipendentemente una nuova particella con caratteristiche compatibili con quelle che ci si aspetta per il bosone di Higgs (qui c'è il comunicato stampa ufficiale del CERN: notate la cautela con cui non si afferma esplicitamente che il bosone trovato sia proprio quel bosone). Nei prossimi giorni gli addetti ai lavori si addentreranno negli aspetti tecnici della questione, discutendo di significatività statistica, delle conseguenze per i modelli teorici, e dei nuovi fronti che si aprono nella ricerca fondamentale. Soprattutto, ATLAS e CMS continueranno a prendere dati e le migliaia di ricercatori che lavorano a quegli esperimenti continueranno ad analizzarli, per chiarire se il nuovo bosone è proprio il bosone di Higgs e non qualche altra particella ancora più strana (cosa che forse sarebbe ancora più interessante).
Ma diciamo la verità: a questo punto è estremamente probabile che, a meno di enormi sorprese, il 4 luglio 2012 sarà ricordato semplicemente come il giorno in cui tutto il mondo ha guardato per la prima volta in faccia il bosone di Higgs (e le lacrime di Peter Higgs, presente all'annuncio nell'auditorium del CERN, sono la manifestazione eclatante di questa sensazione diffusa).
In ogni caso, può essere utile un ripasso per capire perché i fisici si dannano da decenni per raccogliere le prove dell'esistenza di questa particella.
Perché c’è bisogno del bosone di Higgs?
I fisici tentano da decenni di sviluppare un modello teorico che consenta di descrivere le quattro interazioni esistenti in natura (quella elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole, e la gravità) come aspetti di un’unica interazione fondamentale. Il primo passo in questa direzione, compiuto negli anni Sessanta del XX secolo - principalmente grazie al lavoro di Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam - è stata la messa a punto del cosiddetto modello elettrodebole, che, come dice il nome, è in grado di descrivere congiuntamente l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole.
Tuttavia, il modello elettrodebole originale aveva un problema: non riusciva a spiegare perché le particelle che esistono in natura abbiano una massa. In particolare, i bosoni W e Z (le particelle che “comunicano” l’interazione elettrodebole, così come il fotone “comunica” l’interazione elettromagnetica) risultavano privi di massa nel modello teorico. Nel mondo reale, invece, i bosoni W e Z hanno una massa molto grande: al contrario dei fotoni (privi di massa e in grado quindi di viaggiare alla velocità della luce), i bosoni W e Z riescono perciò a comunicare l'interazione debole solo a distanze brevissime. Anche le altre particelle elementari del modello standard – come l’elettrone o i quark – hanno una massa, e molto diversa fra loro. Da dove nasce?
La soluzione proposta per completare il modello elettrodebole e spiegare l’origine della massa delle particelle si basa sul lavoro teorico svolto indipendentemente, negli anni Sessanta, da Peter Higgs, da François Englert con Robert Brout e da Gerald Guralnik con C. R. Hagen e Tom Kibble. Il meccanismo risultante (che viene comunemente indicato con il nome del solo Higgs), si basa sull’idea di rottura spontanea di simmetria.
La rottura spontanea di simmetria
Il concetto di rottura di simmetria può essere compreso con un’analogia. Prendiamo una sottile barra cilindrica di metallo, è poggiamola in verticale su una superficie dura. Se ora ruotiamo la barra intorno al suo asse verticale, non notiamo nessun cambiamento: il sistema è perfettamente simmetrico rispetto a queste rotazioni. Ora, iniziamo ad applicare una pressione dall’alto verso il basso sull’estremità superiore della barra. Dapprima non succederà nulla, ma appena la pressione sarà abbastanza grande (superando un valore critico che dipende dalle caratteristiche fisiche del sistema) la barra improvvisamente si incurverà. Non possiamo prevedere verso quale delle infinite direzioni possibili si creerà la gobba. Quello che sappiamo, però, è che questa nuova configurazione del sistema non è più simmetrica rispetto alle rotazioni intorno all’asse verticale. Se infatti ora facciamo ruotare la barra curva, alteriamo la direzione verso cui punta la gobba e cambiamo le condizioni del sistema. La simmetria iniziale si è rotta.
La rottura spontanea di simmetria si presenta molte volte in natura, in contesti diversi, ma il meccanismo è simile a quello dell’esempio precedente. Dapprima un sistema fisico si trova in uno stato di minima energia ad alta simmetria. Quando qualche parametro esterno al sistema viene alterato (ad esempio la temperatura), il sistema passa improvvisamente in un nuovo stato di minima energia, che non ha più la simmetria iniziale.
Questo è esattamente ciò che avviene secondo il modello elettrodebole: alle altissime temperature presenti nell’universo subito dopo il big bang l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole erano unificate: al diminuire dell’energia, nel corso della successiva espansione dell’universo, la simmetria si è rotta spontaneamente, e le due interazioni si sono separate.
Il bosone di Higgs e l'origine della massa
Torniamo al problema dell’origine della massa. La modifica al modello elettrodebole proposta da Salam e Weinberg, e basata sul meccanismo di Higgs, prevede l’introduzione di un nuovo campo fondamentale che pervade tutto lo spazio: il campo di Higgs, a cui è associata una nuova particella, il bosone di Higgs (un po’ come al campo elettromagnetico è associato il fotone). È proprio il campo di Higgs a fornire la chiave per la rottura di simmetria dell’interazione elettrodebole e a spiegare perché le particelle hanno massa. Ad alte energie (come quelle presenti nell’universo primordiale) il campo di Higgs è simmetrico, l’interazione elettromagnetica e quella debole sono unificate, e tanto i bosoni W e Z che il fotone sono privi di massa. A basse energie (come quelle dell’universo attuale) non soltanto l’interazione elettromagnetica e l’interazione debole appaiono distinte, ma si altera anche la simmetria del campo di Higgs: ed è così, attraverso l’interazione con il campo di Higgs non più simmetrico, che i bosoni W e Z acquistano una massa, mentre il fotone ne resta privo.
Il meccanismo permette, in questo modo, di prevedere teoricamente la massa dei bosoni W e Z. In effetti, è possibile spiegare l’origine della massa di tutte le particelle elementari del modello standard attraverso la loro diversa interazione con il campo di Higgs. Un’analogia usata comunemente per rappresentare questa interazione è quella di immaginare palline di diversa grandezza e velocità che attraversano un fluido molto vischioso (come della melassa): il fluido si appiccica in modo diverso alle varie palline, rallentandole in misura maggiore o minore. Se il campo di Higgs non ci fosse, l’universo sarebbe fatto di particelle senza massa in moto alla velocità della luce!
Com'è fatto il bosone di Higgs?
Secondo la teoria, il bosone di Higgs deve essere privo di carica elettrica e di spin, ma la sua massa non può essere prevista in modo univoco. Restando nell’ambito del modello standard sono possibili diversi valori di massa, ma esistono anche estensioni del modello standard in grado di fare previsioni in un intervallo ancora più ampio. Bisogna quindi ricorrere agli esperimenti per misurare la massa del bosone e ottenere indizi sul modello teorico.
L’osservazione diretta del bosone di Higgs è però resa difficile dalla grande energia richiesta per la sua produzione negli acceleratori di particelle, e dal fatto che esso non esiste stabilmente per lunghi intervalli di tempo dal momento della sua creazione.
I risultati degli esperimenti ATLAS e CMS condotti al CERN, nell'acceleratore LHC, e annunciati questa mattina, mostrano che la nuova particella che potrebbe essere proprio il bosone di Higgs ha una massa di circa 125 GeV (per confronto, un protone ha una massa di circa 1 GeV, oltre cento volte più piccola).
Ma diciamo la verità: a questo punto è estremamente probabile che, a meno di enormi sorprese, il 4 luglio 2012 sarà ricordato semplicemente come il giorno in cui tutto il mondo ha guardato per la prima volta in faccia il bosone di Higgs (e le lacrime di Peter Higgs, presente all'annuncio nell'auditorium del CERN, sono la manifestazione eclatante di questa sensazione diffusa).
In ogni caso, può essere utile un ripasso per capire perché i fisici si dannano da decenni per raccogliere le prove dell'esistenza di questa particella.
Perché c’è bisogno del bosone di Higgs?
I fisici tentano da decenni di sviluppare un modello teorico che consenta di descrivere le quattro interazioni esistenti in natura (quella elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole, e la gravità) come aspetti di un’unica interazione fondamentale. Il primo passo in questa direzione, compiuto negli anni Sessanta del XX secolo - principalmente grazie al lavoro di Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam - è stata la messa a punto del cosiddetto modello elettrodebole, che, come dice il nome, è in grado di descrivere congiuntamente l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole.
Tuttavia, il modello elettrodebole originale aveva un problema: non riusciva a spiegare perché le particelle che esistono in natura abbiano una massa. In particolare, i bosoni W e Z (le particelle che “comunicano” l’interazione elettrodebole, così come il fotone “comunica” l’interazione elettromagnetica) risultavano privi di massa nel modello teorico. Nel mondo reale, invece, i bosoni W e Z hanno una massa molto grande: al contrario dei fotoni (privi di massa e in grado quindi di viaggiare alla velocità della luce), i bosoni W e Z riescono perciò a comunicare l'interazione debole solo a distanze brevissime. Anche le altre particelle elementari del modello standard – come l’elettrone o i quark – hanno una massa, e molto diversa fra loro. Da dove nasce?
La soluzione proposta per completare il modello elettrodebole e spiegare l’origine della massa delle particelle si basa sul lavoro teorico svolto indipendentemente, negli anni Sessanta, da Peter Higgs, da François Englert con Robert Brout e da Gerald Guralnik con C. R. Hagen e Tom Kibble. Il meccanismo risultante (che viene comunemente indicato con il nome del solo Higgs), si basa sull’idea di rottura spontanea di simmetria.
La rottura spontanea di simmetria
Il concetto di rottura di simmetria può essere compreso con un’analogia. Prendiamo una sottile barra cilindrica di metallo, è poggiamola in verticale su una superficie dura. Se ora ruotiamo la barra intorno al suo asse verticale, non notiamo nessun cambiamento: il sistema è perfettamente simmetrico rispetto a queste rotazioni. Ora, iniziamo ad applicare una pressione dall’alto verso il basso sull’estremità superiore della barra. Dapprima non succederà nulla, ma appena la pressione sarà abbastanza grande (superando un valore critico che dipende dalle caratteristiche fisiche del sistema) la barra improvvisamente si incurverà. Non possiamo prevedere verso quale delle infinite direzioni possibili si creerà la gobba. Quello che sappiamo, però, è che questa nuova configurazione del sistema non è più simmetrica rispetto alle rotazioni intorno all’asse verticale. Se infatti ora facciamo ruotare la barra curva, alteriamo la direzione verso cui punta la gobba e cambiamo le condizioni del sistema. La simmetria iniziale si è rotta.
La rottura spontanea di simmetria si presenta molte volte in natura, in contesti diversi, ma il meccanismo è simile a quello dell’esempio precedente. Dapprima un sistema fisico si trova in uno stato di minima energia ad alta simmetria. Quando qualche parametro esterno al sistema viene alterato (ad esempio la temperatura), il sistema passa improvvisamente in un nuovo stato di minima energia, che non ha più la simmetria iniziale.
Questo è esattamente ciò che avviene secondo il modello elettrodebole: alle altissime temperature presenti nell’universo subito dopo il big bang l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole erano unificate: al diminuire dell’energia, nel corso della successiva espansione dell’universo, la simmetria si è rotta spontaneamente, e le due interazioni si sono separate.
Il bosone di Higgs e l'origine della massa
Torniamo al problema dell’origine della massa. La modifica al modello elettrodebole proposta da Salam e Weinberg, e basata sul meccanismo di Higgs, prevede l’introduzione di un nuovo campo fondamentale che pervade tutto lo spazio: il campo di Higgs, a cui è associata una nuova particella, il bosone di Higgs (un po’ come al campo elettromagnetico è associato il fotone). È proprio il campo di Higgs a fornire la chiave per la rottura di simmetria dell’interazione elettrodebole e a spiegare perché le particelle hanno massa. Ad alte energie (come quelle presenti nell’universo primordiale) il campo di Higgs è simmetrico, l’interazione elettromagnetica e quella debole sono unificate, e tanto i bosoni W e Z che il fotone sono privi di massa. A basse energie (come quelle dell’universo attuale) non soltanto l’interazione elettromagnetica e l’interazione debole appaiono distinte, ma si altera anche la simmetria del campo di Higgs: ed è così, attraverso l’interazione con il campo di Higgs non più simmetrico, che i bosoni W e Z acquistano una massa, mentre il fotone ne resta privo.
Il meccanismo permette, in questo modo, di prevedere teoricamente la massa dei bosoni W e Z. In effetti, è possibile spiegare l’origine della massa di tutte le particelle elementari del modello standard attraverso la loro diversa interazione con il campo di Higgs. Un’analogia usata comunemente per rappresentare questa interazione è quella di immaginare palline di diversa grandezza e velocità che attraversano un fluido molto vischioso (come della melassa): il fluido si appiccica in modo diverso alle varie palline, rallentandole in misura maggiore o minore. Se il campo di Higgs non ci fosse, l’universo sarebbe fatto di particelle senza massa in moto alla velocità della luce!
Com'è fatto il bosone di Higgs?
Secondo la teoria, il bosone di Higgs deve essere privo di carica elettrica e di spin, ma la sua massa non può essere prevista in modo univoco. Restando nell’ambito del modello standard sono possibili diversi valori di massa, ma esistono anche estensioni del modello standard in grado di fare previsioni in un intervallo ancora più ampio. Bisogna quindi ricorrere agli esperimenti per misurare la massa del bosone e ottenere indizi sul modello teorico.
L’osservazione diretta del bosone di Higgs è però resa difficile dalla grande energia richiesta per la sua produzione negli acceleratori di particelle, e dal fatto che esso non esiste stabilmente per lunghi intervalli di tempo dal momento della sua creazione.
I risultati degli esperimenti ATLAS e CMS condotti al CERN, nell'acceleratore LHC, e annunciati questa mattina, mostrano che la nuova particella che potrebbe essere proprio il bosone di Higgs ha una massa di circa 125 GeV (per confronto, un protone ha una massa di circa 1 GeV, oltre cento volte più piccola).
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