Sulla storia della scoperta dell'antimateria mi sono già soffermato, per cui non ripeto tutto il discorso, se non il ruolo centrale avuto dall'equazione di Dirac nel prevedere la sua esistenza e guidare verso la sua scoperta. Quello di cui voglio brevemente scrivere quest'oggi è un altro recupero dai miei archivi, in questo caso legati all'intrappolamento dell'antimateria, o per essere più precisi degli anti-atomi.
In generale è stato osservato che un atomo costituito da una particella e da una antiparticella risulta instabile: il loro legame, infatti, si rompe in un tempo dell'ordine dei microsecondi (10^-6 secondi, un 1 preceduto da 6 zeri prima della virgola). Per cui l'idea di realizzare un anti-atomo vero e proprio, cioè costituito completamente da antiparticelle, risultava molto intrigante, considerando che in questo caso ci si aspettava un legame più stabile. Ed effettivamente, sotto le opportune condizioni, è stato possibile catturare l'anti-idrogeno e farlo sopravvivere prima per un tempo di circa 172 ms (millisecondi, 10^-3 secondi), quindi per ben 1000 secondi! A compiere questa incredibile impresa è stata, tra il 2010 e il 2011, la collaborazione ALPHA del CERN presso l'LHC. Nel rilevatore della collaborazione sono stati fatti interagire degli antiprotoni con dei positroni e si è visto un po' cosa è successo a partire dallo studio delle tracce lasciate dalle particelle all'interno del rilevatore.
Sempre nel 2011 la collaborazione STAR preso il RHIC, un acceleratore di particelle che si trova nei dintorni di New York, è riuscita a compiere un'impresa analoga, ma con un atomo leggermente più pesante: l'elio. In questo caso, però, si parla di osservazione dell'anti-elio, ma tutto questo, in qualche modo, potrebbe supportare l'affascinante idea di un universo di antimateria che si sta sviluppando dall'altra parte della freccia del tempo.
Peccato che questa, al momento, è solo un'idea fantascientifica, non avendo ancora alcuna solida prova a supporto.

Il bosone di Higgs ha trainato per molti anni la comunicazione scientifica italiana. Testi sulla meccanica quantistica, il modello standard e argomenti correlati sono stati successivamente arricchiti dalla scoperta della particella mancante al quadro che i fisici della particelle avevano costruito sul mondo microscopico, quello dei mattoni fondamentali su cui è costruito l'universo. Raccontare questo mondo e la sua rivoluzione è dunque al tempo stesso semplice e complesso: semplice per via di ciò che è ormai saldamente consolidato, complesso per via di ciò che ancora non si sa, oltre che della gran mole di testi divulativi che parlano, e anche bene, dell'argomento. Per cui Particelle familiari potrebbe sembrare l'ennesimo libro di divulgazione sull'argomento "modello standard e dintorni", oppure l'ennesimo libro sulla scoperta del bosone di Higgs, visto che il suo autore, Marco Delmastro, lavora proprio per l'esperimento ATLAS, la grande collaborazione che ha scoperto, insieme con i "concorrenti" del CMS, le tracce di questo sfuggente bosone. Alla fine è entrambe le cose, ma anche qualcosa di più, e anche qualcosa di meno, in perfetto stile quantistico.

Oggi pomeriggio sarei dovuto andare a Parabiago per l'ultima conferenza del ciclo di quest'anno dell'autoaggiornamento degli insegnanti del liceo Cavalleri, ma per problemi intercorsi all'altro relatore, l'incontro è stato rinviato a data da destinarsi. Ero abbastanza deciso a non pubblicare nulla sull'argomento della ricerca sperimentale sulle particelle elementari, ma avendo pronta la presentazione ed essendo essenzialmente basata su articoli già presenti su questo blog, alla fine ho deciso di pubblicare un paio di note con i link agli articoli e aggiungendo giusto quelle due o tre informazioni storiche sugli acceleratori. Abbiamo già visto ampiamente la ricca storia legata alle scoperte di elettrone, protone, neutrone e neutrino. Se da un lato hanno contribuito dal punto di vista sperimentale allo sviluppo e alla verifica del Modello standard delle particelle elementari, dall'altro tutti gli esperimenti condotti erano in qualche modo "artigianali" e caratterizzati da un denominatore comune: targhetta fissa. Ovvero si bombardano alcuni atomi con delle particelle che vengono accelerate da un dispositivo progettato allo scopo. L'idea è, ovviamente, quella di far acquisire alle particelle stesse l'energia necessaria per superare i legami atomici e penetrare all'interno del nucleo stesso per interagire con i suoi componenti. Per accelerare le particelle, però, vennero perfezionati, quasi contemporaneamente, due dispositivi che portarono a un livello superiore la ricerca sulle particelle elementari:

A volte uscendo dall'ufficio si discute ancora di fisica con chi, come me, resta quasi fino alla chiusura di Palazzo Brera. E visto che si sa che sono un fisico teorico delle particelle, a volte succede che si discute di Modello Standard e, come questa sera, di bosone di Higgs. L'annuncio della scoperta avvenne nel luglio 2012 e visto che lavoro in un Osservatorio Astronomico, sorge inevitabile la domanda su misure indipendenti relative alla sua rilevazione e su quante volte sia stato osservato il bosone di Higgs dal 2012 in poi.
Nel caso di un esperimento così imponente e in assenza di un acceleratore di particelle in grado di rivaleggiare con l'LHC, l'idea per rendere solida la scoperta del bosone di Higgs è stata quella di ideare due rivelatori gestiti da due collaborazioni distinte, ATLAS e CMS, in modo da avere un esame distinto di dati più o meno differenti anche se provenienti dallo stesso run di misure (se preferite: dallo stesso giro di giostra delle particelle contenute nell'acceleratore).
Se questo forniva una verifica sulla scoperta, data dal fatto che sarebbe bastata l'assenza del segnale in uno qualsiasi dei due esperimenti per invalidare la scoperta nell'altro esperimento, la rarità di produzione del processo non poteva garantire osservazioni future. E così in effetti è stato per un certo periodo, anche a causa di un lungo stop per l'aggiornamento dell'acceleratore. In particolare, dopo la ripartenza del 2015, è esattamente di quest'anno una nuova osservazione del bosone di Higgs, in particolare del processo di decadimento di quest'ultimo in due quark, il top e l'antitop. I due quark, così come il bosone di Higgs, non vengono osservati direttamente, ma attraverso la ricostruzione statistica delle particelle che producono nel corso delle collisioni che avvengono in ogni istante nell'anello dell'acceleratore.
Certo, l'osservazione delle onde gravitazionali, che è stata peraltro messa in dubbio, in qualche modo risulta ancora più solida di quella del bosone di Higgs, ma avere una nuova rilevazione della particella responsabile del meccanismo con cui le particelle acquisiscono la loro massa (ricordo che ancora non si sa perché la massa dell'elettrone - e di tutte le altre particelle - è quella che è e non un'altra) è comunque qualcosa di prezioso, soprattutto se legata a un evento raro come il suo decadimento in una coppia di quark-antiquark.

Paperino e Paperoga vanno al CERN: dopo attenti controlli nessun cavo risulta staccato!

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Un paio di anni fa circa un gruppo di fumettisti capitanato da Andrea Plazzi era andato in gita al CERN. Il primo risultato di questo incontro è stato OraMai di Tuono Pettinato, uscito in occasione di Lucca Comics 2014. Sull'ultimo numero di Topolino del 2015 (o primo del 2016, dipende se si prende per buona la data d'uscita o quella indicata sulla copertina) ecco comparire una breve storia di 6 pagine di genere graphic journalism ad opera di Francesco Artibani e Giuseppe Ferrario che racconta in breve ai lettori del settimanale disneyano cos'è il CERN e cosa si sta facendo presso i suoi laboratori. A guidare Paperino e Paperoga, i due inviati speciali disneyani, ci sono Antonella Del Rosso, editor del CERN Bulletin e del CERN Courier, Marco Delmastro, uno dei fisici di ATLAS, immagino noto ai lettori di DropSea e ultimamente anche ai lettori di fumetti, e Fabiola Gianotti, che dal 1° gennaio 2016 ricoprirà la carica di direttore del CERN anche grazie al ruolo centrale avuto nei giorni che annunciarono al mondo la scoperta del bosone di Higgs.
Le spiegazioni all'interno di Elementare, Paperino! sono belle, semplici ed efficaci e come nello stile di questi graphic reportage topolineschi Ferrario disegna i personaggi disneyani nel suo stile originale con un corredo di fotografie e illustrazioni ufficiali.
A farla da padrone è ATLAS, il grande rilevatore di particelle che insieme con CMS ha rilevato le tracce del bosone di Higgs che hanno permesso di completare la descrizione sperimentale prevista dal modello standard delle particelle elementari. Ricordando, poi, il ruolo centrale del CERN nello sviluppo dell'architettura dietro il www, è a mio giudizio importante tanto quanto il ruolo scientifico ricoperto dai laboratori anche il ruolo di messaggero di pace, molto ben enfatizzato da un paio di vignette che sottolineano la provenienza mondiale dei fisici e ingegneri che collaborano al funzionamento di LHC.

Anteprima (realizzata con una serie di screenshot) della mia recensione (che uscirà su LSB) di OraMai di Tuono Pettinato, albo presentato al Festival della Scienza di Genova e a Lucca Comics & Science tra fine ottobre e primi di novembre. Un ringraziamento a Mattia Di Bernardo, Roberto Natalini e Andrea Plazzi:

In maniera semplice si può parlare di meccanica quantistica nel momento in cui si descrivono le proprietà delle particelle utilizzando i numeri interi. Fatti quei primi passi all'inizio del XX secolo, come fisici abbiamo descritto le particelle utilizzando i così detti numeri quantici in grande abbondanza: la loro scoperta era sempre legata alla scoperta di nuovi decadimenti che non potevano essere altrimenti spiegati senza violare la conservazione di un qualche numero quantico precedentemente noto. Uno dei numeri quantici più evocativi (e forse per qualcuno anche tra i più romantici!) è il colore, utilizzato per descrivere i quark, e da cui deriva il nome del modello che descrive le interazioni tra queste particelle elementari: la cromodinamica quantistica (QCD).
La cornice teorica della QCD^{(1, 2)} ha permesso di predire tutta una serie di barioni, le particelle costituite da tre quark (come protoni e neutroni), tra cui spiccano i barioni Xi, detti anche particelle cascata a causa della loro instabilità, che li porta a decadere rapidamente attraverso una catena (cascata) di decadimenti successivi. A livello di costituenti interni, essi si presentano come un quark up o un quark down e due quark di massa superiore (strange, charm e bottom). La teoria prevede l'esistenza di una ventina di $\Xi$, dalla cui lista mancano al momento 4 barioni: la prima di queste particelle venne scoperta all'interno dei raggi cosmici nel 1952⁽³⁾ (quindi prima che venisse formulata la teoria della cromodinamica quantistica), mentre la prima scoperta in laboratorio è del 1959⁽⁴⁾. Gli ultimi tre barioni della famiglia ad essere stati scoperti, hanno, invece, lasciato traccia all'interno dei rivelatori dell'LHC, in particolare in CMS nel 2012⁽⁵⁾ e di recente in LHCb⁽⁶⁾: questa nuova scoperta, se confermata, porterebbe l'ennesimo punto a favore del modello standard e, per traslato, alla generazione di fisici teorici che hanno contribuito a costruirlo.

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(via ScienceNews)

In quel giorno di 30 anni fa (stiamo parlando della seconda settimana di ottobre del 1984) ero, quasi sicuramente, a scuola. Sarà stata la terza elementare e ancora la fisica non era una mia passione. Certo iniziavo bene: quando la maestra chiese cos'era lo spazio, io pensai immediatamente all'universo, ma la domanda non era riferita a quello "spazio", ma a un altro, quello di tipo geometrico. Però non è su quei ricordi che bisogna indulgere, ma su una foto particolare, quella in cui Carlo Rubbia e Simon van der Meer, con due calici, presumibilmente di vino, in mano festeggiano l'annuncio del Nobel per la Fisica

per i loro decisivi contributi al grande progetto che ha guidato la scoperta delle particelle di campo $W$ e $Z$, mediatori dell'interazione debole

La storia di questo Nobel, però, inizia 8 anni prima, nel 1976. In quell'anno, infatti, inizia a operare SPS, il sincrotrone a protoni del CERN originariamente progettato per accelerare le particelle fino a un'energia di 300 GeV.

Quello stesso anno David Cline, Carlo Rubbia e Peter McIntyre proposero di trasformare l'SPS in un collisore di protoni-antiprotoni, con i fasci di protoni e antiprotoni che ruotavano uno opposto all'altro nello stesso tubo per collidere frontalmente. Questo avrebbe permesso energie nel centro di massa in un intervallo tra i 500 e i 700 GeV.⁽¹⁾

D'altra parte gli antiprotoni vanno in qualche modo raccolti. Il fascio corrispondente venne allora

(...) statisticamente raffreddato nell'accumulatore di antiprotoni a 3.5 GeV, ed è qui che l'esperienza di Simon Van der Meer e collaboratori gioca un ruolo decisivo.⁽¹⁾

Direi che oggi pomeriggio è stato un bel respirare, al Palazzo Brera. Cristina Lazzeroni dell'Università di Birmingham è venuta alle 18 (come avevo scritto nel post precedente) per raccontare del bosone di Higgs, del modello standard e di materia e antimateria. E' una sperimentale presso l'esperimento LHCb al CERN, l'esperimento dedicato proprio alla ricerca su uno dei grandi misteri dell'universo: perché in esso c'è un eccesso di materia (e d'altra parte se non fosse così, non ci sarebbe nemmeno stata la sua conferenza oggi pomeriggio, per esempio!). Ha raccontato molto bene una materia interessante, che è stata sulla bocca di tutti nel luglio 2012 e, soprattutto, in un modo molto semplice ma non banale. Ha utilizzato delle analogie estremamente azzeccate, in alcuni casi anche provando a mimare i comportamenti delle particelle e mi sembra giusto scrivere i complimenti che già le ho espresso di persona. Infatti, come mi aveva gentilmente chiesto Stefano Sandrelli, sono stato presente alla conferenza non solo per il profumo di particelle, ma anche per eventualmente intervenire in caso di domande teoriche. Per fortuna non è stato il caso, altrimenti avrei rischiato di svuotare la sala per la noia (il rischio c'è stato, visto che è spuntata la teoria delle stringhe...): era piena, come spesso avviene in queste belle occasioni, con, come al solito, gente in piedi ad ascoltare con grande attenzione, forse anche maggiore rispetto a una conferenza scientifica, una di quelle serie che si fanno nei congressi dei ricercatori, per intenderci.
Forse l'aspetto più "nuovo" di cui Cristina ha raccontato è proprio l'asimmetria tra materia e antimateria, che è stata ulteriormente confermata da LHCb nel 2013:

In particolare uno tra ATLAS e CMS, i due esperimenti giunti agli onori delle cronache per la scoperta del bosone di Higgs.
E' possibile, infatti, da un paio di settimane, giocare a Particle Clicker, un bel gioco gestionale che fa comprendere quanto sia complesso, ma anche gratificante gestire un esperimento scientifico come uno dei due citati prima.
Innanzitutto la schermata: è suddivisa in quattro frame. Da sinistra a destra: nel primo sono elencati i risultati di ricerca ottenuti con l'avanzare dei dati; nel secondo, il più grande, è contenuto uno schema dell'esperimento dove compaiono gli eventi di collisione e, sotto, il numero di dati raccolti (che serve per fare le "scoperte"), la reputazione, i fondi; nel terzo sono presenti le varie tipologie di ricercatori che lavorano all'esperimento; nell'ultimo gli aggiornamenti man mano che sono disponibili in base ai fondi raccolti.
Per poter iniziare, bisogna cliccare nel frame dell'esperimento (cui è possibile dare il nome che si vuole), operazione che potrà essere ridotta fino ad annullarla man mano che avremo i fondi necessari per assumere personale.
Il gioco, poi, grazie ai salvataggi, può essere ripreso in ogni momento, ovviamente a meno di una cancellazione dei dati di navigazione da parte del giocatore.
Del gioco vi riferisco, però, solo ora semplicemente perché, nel primo pomeriggio... ho scoperto il bosone di Higgs! P.S.: la pagina del CERN dedicata al bosone di Higgs

Ma c'è anche un aspetto che a me piace sottolineare che è come se fossimo nel futuro non solo per le tecnologie e per la maniera di usare l'immaginazione, ma anche per la maniera con cui stiamo lavorando.
La sfida con la natura, nella comprensione della natura è talmente difficile che è obbligatorio che le menti migliori del pianeta in questo campo specifico collaborino, si mettano insieme.
Ed è bellissimo vedere paesi come il Pakistank, per esempio, o l'Iran, che non sono certamente amici degli Stati Uniti, dentro gli esperimenti dell'LHC lavorare fianco a fianco, i fisici pakistani o iraniani insieme ai fisici americani: è come se fossimo un pochino nel futuro anche nella maniera con cui l'umanità dovrebbe affrontare i grandi problemi che ci affliggono.

Guido Tonelli a Spacelab di Rai News

ATLAS ha rilasciato un lavoro, immagino allo stadio preliminare, sullo spin del nuovo bosone. I canali di decadimento esaminati sono gli ormai famosi 4: $H \rightarrow \gamma \gamma$, $H \rightarrow WW^*$, $H \rightarrow l\nu l\nu$, $H \rightarrow ZZ^* \rightarrow 4l$. L'idea è quella di combinare i dati dai 4 canali di decadimento per capire quale sia lo spin di questo nuovo bosone, in particolare per distinguere tra due casi, spin 0 ($J^P = 0^+$), e quindi un bosone compatibile con il Modello Standard, e spin 2 ($J^P = 2^+$), che potrebbe essere collegato con un modello (arXiv) che presenta un accoppiamento leggero tra i campi del Modello Standard e l'ipotetico gravitone.
Queste le conclusioni di ATLAS:

I dati sono in buon accordo con le distribuzioni attese di una particella con $J^P=0^+$ mentre il modello ispirato al gravitone con $J^P=2^+$, che ci si aspetta essere prodotto principalmente attraverso un processo di fusione gluonica, è escluso con un livello di confidenza di oltre il 99,9%.

Potremmo quindi dire che sta iniziando il processo di eliminazione dei modelli che dovrebbero guidare la ricerca della nuova fisica nei prossimi anni. Difficile ipotizzare che alla fine ne resterà solo uno, non è nella tradizione della fisica, ma nei tanti che restano un posto d'onore resterà sicuramente al Modello Standard, come lo studio di ATLAS sullo spin del nuovo bosone ha confermato ancora una volta.
Interessante, poi, notare come nel seminario tenuto ieri a Brera da Corrado Lamberti, parlando della SUSY, la teorie supersimmetrica che vorrebbe superare il Modello Standard con un balzo realmente storico, ha affermato qualcosa del tipo:

Il campo di Higgs spunterebbe naturalmente e non sarebbe una aggiunta al Modello Standard

E' in particolare nell'ultima parte che si sintetizzano tutte le critiche principali al bosone di Higgs e al meccanismo che ha permesso di scoprirlo: è sempre stato considerato una aggiunta non troppo naturale, o spontanea al Modello stesso. Forse l'intero problema andrebbe visto in questa prospettiva differente: non è il campo di Higgs a dover essere aggiunto al Modello Standard, ma piuttosto l'inverso, ovvero la matematica del Modello Standard che in qualche modo dovrebbe innestarsi o venir generata dalla matematica del campo di Higgs.

E' con questa citazione da Eraclito che Franco Reseghetti inizia la sua conferenza sul bosone di Higgs presso il Liceo scientifico Cavalleri di Parabiago, dove sono tornato molto volentieri, su invito di Giovanni Guido, che ho sostituito per le prime tre settimane di scuola, per ascoltare quello che il ricercatore aveva da raccontare ai ragazzi. Visto che ero impegnato contemporaneamente a Rho (la conferenza si è tenuta venerdì 22 marzo), al Liceo Majorana per le lezioni, ho ascoltato la seconda delle due conferenze in programma.
Si inizia con alcune citazioni significative, partendo dal grande Galileo e da un passaggio tratto da Contro il portare la toga:

Perché, secondo l'opinion mia, a chi vuol una cosa ritrovare, bisogna adoperar la fantasia, e giocar d'invenzione, e 'ndovinare

L'importanza della citazione sta proprio nel sottolineare come, a dispetto di quel che si crede, per comprendere come la natura funzioni è necessaria una certa dose di inventiva e di fantasia. In fondo per risolvere dei problemi, siano essi tecnici o matematici, è necessario cercare di inventare nuovi metodi per arrangiare i dispositivi di rilevazione (quando non costruirli da zero!) o combinare tecniche di calcolo matematiche apparentemente differenti una dall'altra.
D'altra parte il lavoro dello scienziato è anche un certosino esame di tesi e ipotesi in modo da stabilire, con la migliore approssimazione possibile, quello che sta avvenendo, come ben riassume sir Arthur Conan Doyle per bocca del suo ben noto personaggio, Sherlock Holmes:

It is an old maxim of mine that when you have excluded the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.

Tratta dal racconto L'avventura del diadema di berilli (The Adventure of the Beryl Coronet) è emblematica proprio dell'atteggiamento con cui porsi di fronte al bosone di Higgs, la cui esistenza era ritenuta da molti impossibile, ma che alla fine si è rivelato, per quanto improbabile, piuttosto reale!
Reseghetti, ad ogni, modo, nonostante sia visibilmente stanco, cerca di tenere desta l'attenzione (cosa in ogni caso difficile quando si sta parlando a diciottenni che vengono ad ascoltarti soprattutto per dovere e non per scelta) e sembra quasi che voglia riprendere gli studenti quando, a un certo punto, dopo un attimo di silenzio da parte sua, dice qualcosa del tipo:

Come capite che io sono qui e che vi sto parlando di fisica?

Attraverso la vista e l'udito: sono queste le timide risposte e sono questo il genere di interazioni che ci permettono di sperimentare e interagire con il mondo circostante. Ed è proprio lo studio delle interazioni fondamentali uno dei punti più importanti dell'indagine fisica.

Ultimamente ho trascurato un po' i lettori di DropSea, concentrando gli sforzi dedicati al bosone di Higgs su Doc Madhattan, iniziando lunedì con i risultati definitivi di Tevatron. Direi, quindi, che è venuto il momento per me di unirmi ai commentatori italiani della faccenda, dopo che altri colleghi blogger hanno festeggiato l'evento con la tipica intelligenza e sobrietà degli scienziati, mentre i giornali uscivano con titoloni incredibili e a volte, obiettivamente, assurdi (leggetene uno dalle parti di Luca Di Fino).
Iniziamo con il riassumere la giornata di ieri (lo ammetto, ho quasi sbagliato la previsione, ma sono stato contento di essermi sbagliato, ad ogni modo): al mattino, a partire dalle 9, nell'auditorium del CERN a Ginevra i due esperimenti ATLAS e CMS, entrambi con grandi presenze italiane, hanno presentato gli ultimissimi risultati sulla ricerca sperimentale del bosone di Higgs.
A iniziare le danze è stato Joe Incandela per CMS, che con una voce che tremava dall'emozione ha mostrato dati, grafici e i risultati sull'eccesso già mostrato nel seminario tenutosi nella prima metà di dicembre 2011. Le novità, comuni anche con ATLAS, i cui dati sono stati presentati da una impeccabile Fabiola Gianotti (a me il Comic Sans piace!!!), rispetto a quella conferenza: il completamento dell'esame dei dati del 2011 e i dati dei primi sei mesi di collisioni del 2012. Il risultato è diventato evidente proprio grazie ai dati del 2012 (il completamento dei dati del 2011, come si vedrà in maniera evidente in una immagine successiva proposta proprio da ATLAS, sembrava andare addirittura verso un peggioramento nella qualità) e il motivo lo spiega molto bene Marco Delmastro:

nel 2012 si è fatto lo sforzo di portare questa energia [l'energia di collisione dei fasci nel centro di massa] a 8 TeV

Il motivo?

il ritmo di produzione atteso del bosone di Higgs aumenta con l'aumentare dell'energia delle collisioni, e aumenta di più di quanto non aumenti il ritmo di produzione di quasi tutti i rumori di fondo. In sostanza, a 8 TeV il rapporto segnale/rumore è più favorevole che a 7 TeV. Il che significa che, a parità di dati analizzati, a 8 TeV le probabilità di vedere un segnale aumentano, anche in modo sostanziale.

E proprio grazie a questa scelta ecco che i frutti vengono colti sia da CMS sia da ATLAS I risultati possono allora così essere riassunti: CMS vede un eccesso con massa $m_H = 125.3 \pm 0.6 GeV$ e una significatività di $4.9 \sigma$; ATLAS vede un eccesso con massa $m_H = 126.5 GeV$ e una significatività di $5.0 \sigma$.
Possiamo allora liberare la gioia: abbiamo visto una nuova particella!
Innanzitutto cerchiamo di capire questa faccenda dei sigma, che Marco spiega in una serie di tre post (lanciare i dadi, Il significato di un eccesso, Zone di rumore di fondo controllato) e che io cercherò, qui, di spiegare nel modo più breve e completo possibile.
La distribuzione maggiormente utilizzata per descrive gli eventi casuali (nel senso degli eventi in cui entra in gioco la probabilità) che ci circondano è la distribuzione gaussiana, una forma a campana il cui picco si trova nel punto a maggiore probabilità, quello che, se ripeti le misure più e più volte, scoprirai di aver trovato più spesso degli altri. La larghezza della campana viene misurata attraverso una quantità chiamata deviazione standard, la sigma, $\sigma$. Se alla fine del mio esperimento fornisco il dato della media della distribuzione e dico di fornirlo con una significatività di $1 \sigma$ sto affermando di aver coperto poco meno del 67% della campana. Infatti se mi sposto, a destra e a sinistra della media, di $1 \sigma$, avrò racchiuso poco meno del 67% dei punti appartenenti alla distribuzione. Già se arrivo a $3 \sigma$ ho coperto il 99.7% della campana, ovvero posso rendere conto del 99.7% dei dati contenuti nella mia distribuzione. Se però riesco a fornire il dato con una significatività di $5 \sigma$, allora quello che sto facendo è coprire il 99.99...% della distribuzione, ovvero quasi tutta la distribuzione a disposizione (ricordiamo che c'è sempre quel piccolo margine di incertezza nella scienza, che cerchiamo sempre di ridurre al minimo o di esplorare non appena ne abbiamo le possibilità tecnologiche).
Per poter dire non solo di aver scoperto una particella, ma di essere in grado di rilevarne una già scoperta, devo quindi fornire i miei risultati con una significatività di $5 \sigma$, che in pratica rappresenta una conoscenza quanto più possibile completa della zona che sto esplorando. Se poi a questo unisco anche il problema che devo cercare di ridurre al minimo il mio errore, e quindi anche la $\sigma$, si capisce che questo compito è tanto più complesso quanto più è, ad esempio, sofisticato lo strumento che sto utilizzando, o quanto più è incredibile la sfida che sto affrontando. E la sfida del bosone di Higgs è certamente una sfida piuttosto complicata, per molti motivi. Come vedremo tra poco.

Accontentatevi di questa immagine, diffusa da ATLAS, che rappresenta un processo contenente il bosone che è stato annunciato oggi a Ginevra, il probabile bosone di Higgs (o forse è quelcos'altro!).
Per chi non ha voglia di aspettare, consiglio di leggersi quello che ho già scritto su Doc Madhattan. La versione in italiano spero arriverà presto!

Basandosi su dati analizzati dagli stessi ricercatori del Fermilab⁽⁴⁾, Christoph Weniger⁽⁵⁾, ricercatore indipendente, ha suggerito l'esistenza di alcuni segnali anomali che potrebbero essere dovuti alla presenza della materia oscura. Non preoccupatevi, però: non sono segnali che dimostrano che la materia oscura⁽¹⁾ è stata trovata in laboratorio, ma possibili osservazioni dirette dovute al Fermi Large Area Space Telescope, in pratica un telescopio costruito da fisici delle alte energie (che ce ne sono anche nel campo dell'astronomia e dell'astrofisica).
In effetti le anomalie riscontrate da Weniger si trovano, ma meno evidenti, già nell'articolo della collaborazione (Fermi LAT), ma non sono così statisticamente rilevanti come quelle mostrate nel recente preprint. Considerando che non c'è nessuno che conosce meglio l'esperimento di chi lo ha condotto e costruito (nonostante ciò che è successo con OPERA, è questa la norma), risulta piuttosto difficile ritenere che un ricercatore indipendente sia riuscito a scovare un qualche effetto sfuggito a chi ha lavorato al Fermi LAT, soprattutto considerando quanto questo genere di esperimenti siano altamente sofisticati. Certo non si può escludere a priori che Weniger abbia torto: il suo preprint (che immagino sottoporrà a una rivista di settore, se non l'abbia già fatto), in un certo senso sembra voler andare nella direzione di un esame più attento di quei dati particolari e della regione di energia che sembrano puntare (intorno ai 125 GeV).
D'altra parte 8 mesi fa circa tre teorici del CERN, Gian Francesco Giudice, Ben Gripaios e Rakhi Mahbubani proposero un preprint piuttosto interessante, di recente pubblicato da Physical Review D⁽⁶⁾, dove proponevano alcuni procedimenti per rilevare tracce di materia oscura all'interno di LHC!

What a fillip it would be if the Dark Matter that abounds in the heavens could be manufactured here on Earth, at the LHC.⁽⁶⁾

Dal punto di vista del Modello Standard, una particella di materia oscura potrebbe essere considerata come un singoletto⁽²⁾ neutro rispetto al colore a alla carica elettrica, altrimenti sarebbe già stata prevista all'interno del Modello Standard stesso, e quindi a tutti gli effetti invisibile alla rilevazione diretta da parte di LHC, a meno di non rilevare dei processi con dell'energia mancante. Questi però potrebbero in ogni caso essere rilevati e spiegati senza necessariamente essere dovuti alla presenza della materia oscura. Il problema, quindi, diventa associare queste tracce di energia mancante con la materia oscura. Un modo può essere misurare le proprietà di queste particelle invisibili, estraendo quelle necessarie per un confronto con le osservazioni cosmologiche.
In particolare si può estrarre la così detta relic density, che i tre ricercatori suppongono possa essere collegata con l'interazione debole. Ad ogni modo, il cuore della proposta è tutto qui:

Our proposal is simply to count the number of invisible particles in missing energy events. To begin with, our system of counting will be loosely based on the "one-two-many" system of the Amazonian Piraha tribe⁽³⁾, but simplified to "one-many". That is, we propose to try to establish that invisible particles are being multiply produced in events.⁽⁶⁾

E tutto questo, che può anche essere semplificato come una strategia che cerca di identificare le osservabili fisiche strettamente dipendenti dal numero di particelle invisibili presenti nel processo rilevato, dovrebbe essere più che sufficiente per stabilire la simmetria alla base della materia oscura. Infatti, per avere la speranza di riuscire a scrivere un modello matematico efficace per descrivere la materia oscura, uno dei punti più importanti è riuscire a scegliere la simmetria più opportuna, e questa proposta ha certo almeno il merito di porsi e provare a risolvere la questione.
Il passo successivo è, poi, convincersi che le particelle di materia oscura sono associate con i processi contenenti più di una particella invisibile.
Supponiamo che la particella di materia oscura sia più leggera dei quark di un protone, così da poter considerare i quark come dei singoletti. Allora protoni e coppie di protoni sono stati di singoletto che vengono prodotti nelle collisioni che avvengono lungo l'anello di LHC. Se si riuscisse a produrre un non-singoletto di materia oscura, allora lo stato finale dovrebbe contenere una particella che non è singoletto. Questa sarebbe ancora una particella di materia oscura, ma potrebbe anche essere una particella diversa. Se è diversa, e se è visibile e stabile alle scale di osservazione dell'acceleratore, allora non si vedrebbe una produzione multipla di particelle invisibili, ma la traccia di una particella carica. Quindi gli unici processi che, in questo scenario, sarebbero associabili facilmente alla materia oscura sono proprio quelli con una produzione multipla di particelle invisibili.
Vi risparmio i calcoli cinematici e i grafici prodotti con simulazioni montecarlo realizzati dai tre teorici, che prendono in considerazione varie ipotesi (come ad esempio particelle invisibili prive di massa). Ad ogni modo si può ulteriormente migliorare e sviluppare la proposta già semplicemente partendo da alcuni punti evidenziati dagli stessi ricercatori: prendere in considerazione più osservabili rispetto a quelle utilizzate da Giudice, Gripaios e Mahbubani; si dovrebbe poi affrontare il problema dei processi apparentemente identici o dell'eventuale presenza di radiazione iniziale; e c'è poi da capire quanto la topologia dell'esperimento influenzerebbe questo genere di risultati.
E infine:

even though we have yet to see evidence for new, invisible particles produced at the LHC, now would seem to be the ideal time for experiments to validate and refine our proposal, by counting the neutrinos which certainly have been abundantly produced in various SM processes⁽⁶⁾

Comunque la si voglia prendere questa ricerca, comunque si riveli la proposta (corretta, errata o comunque sulla giusta direzione), al momento ha sicuramente un merito: quello di ricordare che, nella ricerca sulla natura della materia oscura, LHC può e deve giocare un ruolo di primaria importanza.

Bisogna aspettare solo che passi, quindi della novità recente, la presunta conferma dei neutrini superluminali, vi rimando a quello che ho scritto su Doc Madhattan, che è già più di quello che mi va di scrivere in questo periodo. Qui, invece, vi faccio un elenco dei link interessanti in italiano sulla faccenda:

Le Scienze con il primo annuncio e con alcune dichiarazioni di Giovanni Fiorentini
Quindi Amedeo Balbi e Marco Delmastro.

Nel post su FoS, comunque, scrivo qualcosa anche sulle prime osservazioni di una violazione CP nel decadimento del quark charm, che forse è la notizia scientificamente più solida della settimana. Il motivo è molto semplice: la violazione CP osservata non era teoricamente attesa. E visto che questa violazione è legata al fatto che il nostro universo è fatto di materia e non di anti-materia, potete immaginare quanto possa essere importante il risultato se venisse verificato, forse anche più di quello dei neutrini superluminali.

Ripartono, qui a Milano, le attività dell'Osservatorio di Brera per l'autunno 2011. E così, mentre un post nato per pubblicizzare la nuova attività partorita dal gruppo di outreach mi è letteralmente sfuggito di mano (sta crescendo a un ritmo piuttosto rapido!), decido che per la mia sopravvivenza (e sanità mentale!) è giunto il momento di segnalare questa nuova conferenza, che da il titolo al post e fa parte della serie I cieli di Brera, quest'anno dedicata ai 150 anni dell'Unità d'Italia.
La conferenza si terrà il 21 settembre alle 18 presso la Sala delle Adunanze dell'Istituto Lombardo in Palazzo Brera (via Brera, 28). Sarà Valeria Pettorino della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati a raccontare di Luce sull'universo: da LHC alla cosmologia

La nostra comprensione delle leggi fondamentali della natura è basata sul ‘modello standard’, sviluppato negli anni settanta, che descrive con successo la materia che vediamo in termini di particelle fondamentali (quarks e leptoni) e di quattro forze fondamentali che agiscono tra le particelle. Molte domande restano però ancora irrisolte e potranno essere affrontate a breve da esperimenti quali LHC (Large Hadron Collider), l’acceleratore di particelle attualmente operativo al CERN di Ginevra. Perché le particelle hanno massa? Esiste il bosone di Higgs? Le scoperte di LHC, combinate con quelle di altri esperimenti, potranno fornire importanti informazioni anche su un altro degli aspetti della fisica della particelle che il modello standard non riesce a spiegare, con un impatto immediato su uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna: la materia oscura. La materia che vediamo è infatti solo una piccola parte del contenuto dell’Universo. Il resto è sotto forma di materia oscura e energia oscura. La scoperta della materia oscura e del suo legame con l’energia oscura getterebbe nuova luce sull’evoluzione dell’universo, sul suo contenuto e sulle proprietà stesse della gravità.

E ora un paio di righe su Valeria:

Ne avevo già scritto in inglese, ma con colpevole ritardo vi riferisco di alcune novità riguardanti il bosone di Higgs e uscite dalla conferenza EPS sulla fisica delle alte energie⁽¹⁾, tenutasi a fine luglio, dal 24 al 27 se non ricordo male.
Tutto inizia con il comunicato stampa del Fermilab che, combinando i dati degli esperimenti D0 e CDF, ha diffuso i nuovi limiti di massa⁽²⁾ per il bosone di Higgs, ovvero tra i 114 e i 137 GeV/c². Ovviamente non potevano mancare nemmeno le collaborazioni ATLAS e CMS con l'esposizione dei loro dati, che però sembrano essere ben poco ottimistiche non solo nei confronti del Tevatron, ma anche del bosone stesso.
Iniziamo dando un'occhiata ai grafici (via Résonaances, Tommaso Dorigo):
Come vedete i due esperimenti europei hanno in comune con il Tevatron solo una piccola regione compresa tra circa 115 GeV e 140 GeV. I dati di queste regioni saranno probabilmente analizzati e pubblicati entro la fine dell'anno, per cui dovremmo presto sapere se il Tevatron potrebbe scoprire l'Higgs o meno⁽³⁾, ma soprattutto potremmo avere un'idea più precisa di che Higgs ci dovremmo aspettare.
Per chiarire meglio questo aspetto potrebbe essere interessante dare un'occhiata al grafico riassuntivo realizzato di Philip Gibbs, dove potrete notare come quella piccola regione in comune tra Tevatron e LHC e l'ultima regione disponibile all'interno della previsione del modello standard: