Charged Lepton Flavour Violation

Oggi vorrei mettere da parte UFO, complotti, scie chimiche, fine del mondo, ecc., per tornare a parlare di scienza pura. Lo vorrei fare con questo articolo spceifico, per trattare nuovamente lo stato attuale della ricerca e mostrarvi quali sono i settori più “caldi” e più promettenti nel panorama della fisica delle alte energie.

Per prima cosa, in diversi articoli abbiamo parlato di modello standard:

– Dafne e KLOE: alta energia in Italia

– E parliamo di questo Big Bang

– Universo: foto da piccolo

– Ascoltate finalmente le onde gravitazionali?

– Il primo vagito dell’universo

– L’espansione metrica dell’universo

Come abbiamo visto, il Modello Standard è quella teoria che oggi abbiamo definito e che consente di prevedere molte delle proprietà che osserviamo per le particelle. Vi ricordo che in fisica parliamo sempre di modello proprio per indicare un qualcosa in grado di prevedere le proprietà sperimentali.

Anche se poco conosciuto ai non addetti ai lavori, il Modello Standard è stato molto citato parlando del Bosone di Higgs. Come tutti sanno, il nostro modello, che ha resistito per decenni, presenta una particolare mancanza: non è in grado di prevedere l’esistenza della massa delle particelle. Come correggere questa grave imprecisione? Che le particelle abbiano massa è noto a tutti e facilmente dimostrabile anche guardando la materia che ci circonda. Bene, per poter correggere questo “errore” è possibile inserire quello che è noto come Meccanismo di Higgs, una correzione matematica che consente al modello standard di poter prevedere l’esistenza della massa. Bene, dunque ora è tutto OK? Assolutamente no, affinché il meccanismo di Higgs possa essere inserito è necessario che sia presente quello che viene chiamato un Campo di Higgs e, soprattutto, un bosone intermedio che, neanche a dirlo, si chiama Bosone di Higgs.

Capite dunque perchè la scoperta sperimentale del Bosone di Higgs è così importante?

Del bosone di Higgs, di LHC e delle sue conseguenze abbiamo parlato in questi articoli:

– Bosone di Higgs … ma cosa sarebbe?

– L’universo è stabile, instabile o meta-stabile?

– Hawking e la fine del mondo

– 2012, fine del mondo e LHC

A questo punto si potrebbe pensare di aver raggiunto il traguardo finale e di aver compreso tutto. Purtroppo, o per fortuna a seconda dei punti di vista, questo non è assolutamente vero.

Perchè?

Come è noto a tutti, esistono alcuni problemi aperti nel campo della fisica e su cui si discute già da moltissimi anni, primo tra tutti quello della materia oscura. Il nostro amato Modello Standard non prevede assolutamente l’esistenza della materia oscura di cui abbiamo moltissime verifiche indirette. Solo per completezza, e senza ripetermi, vi ricordo che di materia e energia oscura abbiamo parlato in questi post:

– La materia oscura

– Materia oscura intorno alla Terra?

– Flusso oscuro e grandi attrattori

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

L’esistenza della materia oscura, insieme ad altri problemi poco noti al grande pubblico, spingono i fisici a cercare quelli che vengono chiamati Segnali di Nuova Fisica, cioè decadimenti particolari, molto rari, in cui si possa evidenziare l’esistenza di particelle finora sconosciute e non contemplate nel modello standard delle particelle.

Per essere precisi, esistono moltissime teorie “oltre il modello standard” e di alcune di queste avrete già sentito parlare. La più nota è senza ombra di dubbio la Supersimmetria, o SuSy, teoria che prevede l’esistenza di una superparticella per ogni particella del modello standard. Secondo alcuni, proprio le superparticelle, che lasciatemi dire a dispetto del nome, e per non impressionarvi, non hanno alcun super potere, potrebbero essere le componenti principali della materia oscura.

Prima importante riflessione, la ricerca in fisica delle alte energie è tutt’altro che ad un punto morto. La scoperta, da confermare come detto negli articoli precedenti, del Bosone di Higgs rappresenta un importante tassello per la nostra comprensione dell’universo ma siamo ancora molto lontani, e forse mai ci arriveremo, dalla formulazione di una “teoria del tutto”.

Detto questo, quali sono le ricerche possibii per cercare di scoprire se esiste veramente una fisica oltre il modelo Standard delle particelle?

Detto molto semplicemente, si studiano alcuni fenomeni molto rari, cioè con bassa probabilità di avvenire, e si cerca di misurare una discrepanza significativa da quanto atteso dalle teorie tradizionali. Cosa significa? Come sapete, le particelle hanno una vita molto breve prima di decadere in qualcos’altro. I modi di decadimento di una data particella possono essere molteplici e non tutti avvengono con la stessa probabilità. Vi possono essere “canali”, cioè modi, di decadimento estremamente più rari di altri. Bene, alcuni di questi possono essere “viziati” dall’esistenza di particelle non convenzionali in grado di amplificare questo effetto o, addirittura, rendere possibili modi di decadimento non previsti dalla teoria convenzionale.

L’obiettivo della fisica delle alte energie è dunque quello di misurare con precisione estrema alcuni canali rari o impossibili, al fine di evidenziare segnali di nuova fisica.

Ovviamente, anche in questo caso, LHC rappresenta un’opportunità molto importante per questo tipo di ricerche. Un collisore di questo tipo, grazie alla enorme quantità di particelle prodotte, consente di poter misurare con precisione moltissimi parametri. Detto in altri termini, se volete misurare qualcosa di molto raro, dovete prima di tutto disporre di un campione di eventi molto abbondante dove provare a trovare quello che state cercando.

Un esempio concreto, di cui abbiamo parlato in questo post, è l’esperimento LhCB del CERN:

– Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

Una delle ricerche in corso ad LhCB è la misura del decadimento del Bs in una coppia di muoni. Niente paura, non voglio tediarvi con una noiosa spiegazione di fisica delle alte energie. Il Bs è un mesone composto da due quark e secondo il modello standard può decadere in una coppia di muoni con una certa probabilità, estremamente bassa. Eventuali discordanze tra la probabilità misurata di decadimento del Bs in due muoni e quella prevista dal modello standard potrebbe essere un chiaro segnale di nuova fisica, cioè di qualcosa oltre il modello standard in grado di modificare queste proprietà.

Misurare la probabilità di questo decadimento è qualcosa di estremamente difficile. Se da un lato avete una particella che decade in due muoni facilmente riconoscibili, identificare questo decadimento in mezzo a un mare di altre particelle è assai arduo e ha impegnato moltissimi fisici per diverso tempo.

Purtroppo, o per fortuna anche qui, gli ultimi risultati portati da LhCB, anche in collaborazione con CMS, hanno mostrato una probabilità di decadimento paragonabile a quella attesa dal modello standard. Questo però non esclude ancora nulla dal momento che con i nuovi dati di LHC sarà possibile aumentare ancora di più la precisione della misura e continuare a cercare effetti non previsti dalla teoria.

Tra gli altri esperimenti in corso in questa direzione, vorrei poi parlarvi di quelli per la ricerca della “violazione del numero Leptonico”. Perdonatemi il campanilismo, ma vi parlo di questi semplicemente perchè proprio a questo settore è dedicata una mia parte significativa di ricerca.

Cerchiamo di andare con ordine, mantenendo sempre un profilo molto divulgativo.

Come visto negli articoli precedenti, nel nostro modello standard, oltre ai bosoni intermedi, abbiamo una serie di particelle elementari divise in quark e leptoni. Tra questi ultimi troviamo: elettrone, muone, tau e i corrispondendi neutrini. Bene, come sapete esistono delle proprietà in fisica che devono conservarsi durante i decadimenti di cui abbiamo parlato prima. Per farvi un esempio noto a tutti, in un decadimento dobbiamo mantenere la carica elettrica delle particelle, se ho una particella carica positiva che decade in qualcosa, questo qualcosa deve avere, al netto, una carica positiva. La stessa cosa avviene per il numero leptonico, cioè per quella che possiamo definire come un’etichetta per ciascun leptone. In tal caso, ad esempio, un elettrone non può decadere in un muone perchè sarebbe violato, appunto, il numero leptonico.

Facciamo un respiro e manteniamo la calma, la parte più tecnica è già conclusa. Abbiamo capito che un decadimento in cui un leptone di un certo tipo, muone, elettrone o tau, si converte in un altro non è possibile. Avete già capito dove voglio andare a finire? Se questi decadimenti non sono possibili per la teoria attuale, andiamo a cercarli per verificare se esistono influenze da qualcosa non ancora contemplato.

In realtà, anche in questo caso, questi decadimenti non sono del tutto impossibili, ma sono, come per il Bs in due muoni, fortemente soppressi. Per farvi un esempio, l’esperimento Opera dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, misura proprio l’oscillazione dei neutrini cioè la conversione di un neutrino di un certo tipo in un altro. Ovviamente, appartendendo alla famiglia dei leptoni, anche i neutrini hanno un numero leptonico e una loro trasformazione da un tipo all’altro rappresenta una violazione del numero leptonico, quella che si chiama Neutral Lepton Flavour Violation. Per la precisione, questi decadimenti sono possibili dal momento che, anche se estremamente piccola, i neutrini hanno una massa.

Bene, la ricerca della violazione del numero Leptonico in particelle cariche, è uno dei filoni più promettenti della ricerca. In questo settore, troviamo due esperimenti principali che, con modalità diverse, hanno ricercato o ricercheranno questi eventi, MEG a Zurigo a Mu2e a Chicago.

Mentre MEG ha già raccolto molti dati, Mu2e entrerà in funzione a partire dal 2019. Come funzionano questi esperimenti? Detto molto semplicemente, si cercano eventi di conversione tra leptoni, eventi molto rari e dominati da tantissimi fondi, cioè segnali di dcadimenti più probabili che possono confondersi con il segnale cercato.

Secondo il modello standard, questi processi sono, come già discusso, fortemente soppressi cioè hanno una probabilità di avvenire molto bassa. Una misura della probabilità di decadimemto maggiore di quella attesa, sarebbe un chiaro segnale di nuova fisica. Detto questo, capite bene perchè si parla di questi esperimenti come probabili misure da nobel qualora i risultati fossero diversi da quelli attesi.

L’esperimento MEG ha già preso moltissimi dati ma, ad oggi, ha misurato valori ancora in linea con la teoria. Questo perchè la risoluzione dell’esperimento potrebbe non essere sufficiente per evidenziare segnali di nuova fisica.

A livelo tecnico, MEG e Mu2e cercano lo stesso effetto ma sfruttando canali di decadimento diverso. Mentre MEG, come il nome stesso suggerisce, cerca un decadimento di muone in elettrone più fotone, Mu2e cerca la conversione di muone in elettrone senza fotone ma nel campo di un nucleo.

Ad oggi, è in corso un lavoro molto specifico per la definizione dell’esperimento Mu2e e per la scelta finale dei rivelatori da utilizzare. Il gruppo italiano, di cui faccio parte, è impegnato in uno di questi rivelatori che prevede la costruzione di un calorimetro a cristallo che, speriamo, dovrebbe raggiungere risoluzioni molto spinte ed in grado di evidenziare, qualora presenti, eventuali segnali di nuova fisica.

Concludnedo, la ricerca nella fisica delle alte energie è tutt’altro che morta ed è sempre attiva su molti fronti. Come detto, molti sforzi sono attualmente in atto per la ricerca di segnali di nuova fisica o, come noi stessi li abbiamo definiti, oltre il modello standard. Detto questo, non resta che attendere i prossimi risultati per capire cosa dobbiamo aspettarci e, soprattutto, per capire quanto ancora poco conosciamo del mondo dell’infinitamente piccolo che però regola il nostro stesso universo.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Hawking e la fine del mondo

Visto che me lo state chiedendo in tantissimi, vorrei aprire una parentesi sulle affermazioni fatte dal celebre astrofisico Stephen Hawking riguardanti il bosone di Higgs. Per chi non lo avesse seguito, abbiamo già discusso di questo tema nella apposita sezione:

– Hai domande o dubbi?

Dove un nostro caro lettore, già qualche giorno fa, ci aveva chiesto lumi a riguardo.

Di cosa stiamo parlando?

Come tutti avrete letto, nell’introduzione del suo ultimo libro “Starmus, 50 years of man in space” il celebre astrofisico avrebbe scritto che il bosone di Higgs avrebbe le potenzialità per poter distruggere l’intero universo. In pratica, ad energie elevate, così si legge, la particella potrebbe divenire improvvisamente instabile e provocare il collasso dello stato di vuoto, con conseguente distruzione dell’universo.

Cosa? Collaso del vuoto? Distruzione dell’universo?

Ci risiamo, qualcuno ha ripreso qualche spezzone in giro per la rete e ne ha fatto un caso mondiale semplicemente mescolando le carte in tavola. In realtà, a differenza anche di quanto io stesso ho affermato nella discussione linkata, la cosa è leggermente più sottile.

E’ possibile che il bosone di Higgs diventi instabile e bla bla bla?

No! Il bosone di Higgs non diviene instabile ad alte energie o perchè ne ha voglia. Stiamo entrando in un settore della fisica molto particolare e su cui la ricerca è ancora in corso.

Facciamo un piccolo excursus. Del bosone di Higgs ne abbiamo parlato in questo articolo:

– Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

dove abbiamo cercato di spiegare il ruolo chiave di questa particelle nella fisica e, soprattutto, la sua scoperta.

Inoltre, in questo articolo:

– L’universo è stabile, instabile o metastabile?

Abbiamo visto come la misura della massa di questa particella abbia implicazioni profonde che esulano dalla mera fisica delle particelle. In particolare, la massa di questa particella, combinata con quella del quark top, determinerebbe la condizione di stabilità del nostro universo.

Bene, come visto nell’ultimo articolo citato, i valori attuali dei parametri che conosciamo, ci pongono nella strettissima zona di metastabilità del nostro universo. Detto in parole semplici, non siamo completamente stabili e, ad un certo punto, il sistema potrebbe collassare in un valore stabile modificando le proprietà del vuoto quantomeccanico.

Riprendiamo il ragionamento fatto nell’articolo. Siamo in pericolo? Assolutamente no. Se anche fossimo in una condizione di metastabilità, il sistema non collasserebbe da un momento all’altro e, per dirla tutta, capire cosa significhi in realtà metastabilità del vuoto quantomeccanico non è assolutamente certo. Premesso questo, come già discusso, i valori delle masse delle due particelle in questione, vista la ristretta zona in esame, non sono sufficienti a determinare la reale zona in cui siamo. Cosa significa? Come detto, ogni misura in fisica viene sempre accompagnata da incertezze, cioè un valore non è univoco ma è contenuto in un intervallo. Più è stretto questo intervallo, minore è l’incertezza, meglio conosciamo il valore in esame. Ad oggi, ripeto, vista la stretta banda mostrata nel grafico, le nostre incertezze sono compatibili sia con la metastabilità che con l’instabilità.

Dunque, pericolo scampato. Resta però da capire il perchè delle affermazioni di Hawking.

Su questo, vi dirò la mia senza fronzoli. Hawking conosce benissimo l’attuale livello di cui abbiamo discusso. Molto probabilmente, non avendolo letto non ne posso essere sicuro, nel libro ne parla in modo dettagliato spiegando tutto per filo e per segno. Nell’introduzione invece, appunto in quanto tale, si lascia andare ad affermazioni quantomeno naive.

Perchè fa questo? Le ipotesi sono due e sono molto semplici. La prima è che è in buona fede e la colpa è solo dei giornali che hanno ripreso questa “introduzione al discorso” proprio per creare il caso mediatico sfruttando il nome dell’astrofisico. La seconda, più cattiva, è che d’accordo con l’editore, si sia deciso di creare questo caso appunto per dare una spinta notevole alle vendite del libro.

Personalmente, una o l’altra non conta, l’importante è capire che non c’è nessun collasso dell’universo alle porte.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

L’esperimento di Ferlini e la barriera magnetica

Solo qualche giorno fa abbiamo pubblicato un articolo specifico sul cosiddetto “effetto Hutchinson”:

– Effetto Hutchinson: realta’ o bufala?

Come visto, i fenomeni descritti in questa esperienza, che spaziano dalla levitazione alla fusione di oggetti con rilascio di energia, sarebbero provocati dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche in zone precise dello spazio. Nel descrivere queste esperienze, abbiamo mostrato un notevole scetticismo dettato dalla particolarita’ dei fenomeni descritti ma, soprattutto, dal fatto che l’autore stesso di questi esperimenti abbia piu’ volte dichiarato di non essere piu’ in grado di ripetere tali effetti. Ci tengo a sottolineare che la mia posizione di scettico non e’ affatto per partito preso. Come sapete, e come detto molte volte, tutti dobbiamo essere aperti a fenomeni sconosciuti e anche apparentemente assurdi purche’, come la scienza insegna, questi possano essere ripetuti da chiunque, in qualsiasi parte sotto le condizioni descritte. Solo se questo avviene possiamo considerare il metodo scientifico soddisfatto e vedere a tali nuovi fenomeni con gli occhi della scienza.

Riprendo quanto detto in questo articolo, perche’ ora vorrei raccontarvi un altro presunto esperimento che solo qualche giorno fa e’ stato richiamato da alcuni siti complottisti, sempre con il solito scopo di denigrare la scienza ufficiale e tacciarla di non voler approfondire cio’ che e’ fuori dai suoi dettami. Parlaimo questa volta del cosiddetto esperimento di Ferlini sulla barriera magnetica.

Chi e’ costui? In cosa consiste l’esperimento?

Se provate ad informarvi in rete, troverete solo una moltitudine di articoli che riprendono pari pari quanto descritto da Ferlini in un libro da lui stesso pubblicato e intitolato appunto “La barriera Magnetica”. In questo libro Ferlini descrive una serie di esperimenti che avrebbe condotto, dapprima in solitudine e poi con un gruppo di collaboratori, studiando i campi magnetici.

Prima di raccontarvi gli esperimenti, e’ importante, come vedremo dopo, dire che Ferlini inizio’ la sua carriera studiando l’antico Egitto e la costruzione delle Piramidi. In particolare, cio’ che interessava Ferlini era la possibilita’ che strani fenomeni fisici potessero accadere dentro o in prossimita’ delle piramidi a causa di soluzioni appositamente inserite durante la costruzione di questi imponenti monumenti.

Premesso questo, Ferlini racconta che un giorno giocherellando con due calamite si accorse che avvicinando i poli opposti, poco prima che questi entrassero in contatto, la zona di spazio appariva leggermente offuscata come se qualcosa di particolare accadesse al volume d’aria tra i poli stessi. Incuriosito da questo fenomeno che non riusciva a spiegare, Ferlini decise di costruire un esperimento piu’ in grande in modo da accentuare l’effetto. L’esperienza da lui realizzata, e sempre raccontata nel suo libro, prevedeva la disposizione di 4 grandi magneti di diverse tonnellate disposti con i poli opposti vicini. Ecco uno schema dell’apparato:

Disposizione dei 4 magneti nell’esperimento di Ferlini

Come vedete ci sono 4 magneti a ferro di cavallo disposti con i poli Nord-Sud alternati tra loro. Dalle prime osservazioni con i piccoli magneti, Ferlini racconta di aver osservato questa deformazione dello spazio solo poco prima che i poli entrassero in contatto a causa dell’attrazione magnetica. Per poter osservare questo effetto nell’esperimento piu’ grande, Ferlini monto’ le calamite su appositi sostegni che permettevano un movimento a passi molto sottili. In questo modo era possibile avvicinare molto lentamente i poli grazie a dei fermi studiati per opporsi all’attrazione.

Bene, cosa accadde con questo esperimento?

Leggendo sempre dal libro di Ferlini, quando i magneti arrivarono nel punto preciso in cui si innescava il fenomeno, accadde qualcosa di incredibile. Nella stanza si diffuse una nebbiolina azzurra con un odore acre. Da queste proprieta’ organolettiche, i presenti capirono che si trattava di ozono. Ma non accade solo questo, la zona di spazio compresa tra i magneti, che questa volta al contrario del primo caso era molto estesa, venne deformata da questo effetto sconosciuto mai osservato prima. Ferlini, che indossava una maschera antigas per non respirare l’ozono, incuriosito da questo fenomeno, si avvicino’ al contrario dei suoi collaboratori che rimasero a distanza di sicurezza. Quando si trovo’ in prossimita’ del punto, i collaboratori videro Ferlini scomparire dalla stanza. La nebbiolina presente inizio’ lentamente a diradarsi assumendo diversi colori e solo dopo che scomparve le persone presenti videro Ferlini riapparire sprovvisto della maschera che portava prima di avvicinarsi.

Dove era finito Ferlini?

Come raccontato nel suo libro, Ferlini si ritrovo’ in Egitto, ma non nel momento dell’esperimento bensi’ al tempo in cui le piramidi erano in costruzione. Vide gli schiavi che alzavano i grandi blocchi e le piramidi cosi’ come erano quando vennero realizzate. Perche’ proprio in quel preciso punto ed in quell’epoca? Ferlini penso’ che questo strano effetto, da subito ribattezzato “barriera magnetica”, fosse un portale creato dalla forza magnetica in grado di interagire con le onde cerebrali. Come anticipato, la carriera di Ferlini inizio’ con lo studio delle piramidi e quindi la barriera magnetica era in grado di interagire con gli impulsi creati dal cervello umano realizzando viaggi nel tempo in zone ed epoche dove il soggetto voleva, anche solo inconsciamente, viaggiare.

Bene, questo e’ l’esperimento di Ferlini e questa sarebbe la barriera magnetica che lui descrive nel suo libro.

Ora posso dire la mia? Premetto, come anticipato all’inizio dell’articolo, che non voglio essere scettico di principio ma analizzando quanto viene raccontato capite bene come una verifica di queste affermazioni sarebbe, ed e’, facilmente attuabille ma, soprattutto, facilmente smentibile. Ovviamente, sui soliti siti complottisti trovate scritto che mai nessuno ha mai voluto realizzare l’esperimento di Ferlini o anche che in realta’ e’ utilizzato normalmente in alcuni grandi centri di ricerca anche se alle persone comuni non ne viene data notizia.

Prima di tutto, vi ricordo che non stiamo parlando di esperimenti impossibili da realizzare ne che richiedono strumentazione particolare. Come detto, nella prima esperienza, Ferlini si sarebbe accorto di questo fenomeno semplicmente osservando due calamite che si attraevano. Avete mai visto due calamite? Ci avete mai giocherellato? Avete mai notato una distorsione dello spazio prima che queste si attacchino a causa della forza di attrazione? Ovviamente credo che la risposta a queste domande sia quanto meno scontata.

Vi faccio notare anche un altro particolare. Prendiamo un sito qualsiasi:

– Sito vendita magneti

15 euro al pezzo, ne servono 4, quattro viti senza fine per realizzare un movimento a piccoli passi, qualche bullone di supporto, con meno di 100 euro avete realizzato l’esperimento di Ferlini. Non avrete magneti da tonnellate per poter fare un viaggio nel tempo, ma sicuramente dovreste essere in grado di osservare una bella distorsione dello spazio e, se siete fortunati, anche una bella nebbiolina di ozono nella stanza. Cercando informazioni sulla rete, ho trovato diversi forum in cui gruppi di persone, anche se sconsigliate da altre, si sono dichiarate pronte a mettere in piedi l’esperimento per dimostrarne la corretteza. La cosa simpatica e’ che dopo una lunga discussione “lo faccio”, “non lo fare perdi tempo”, “no lo faccio, chi mi aiuta?”, ecc., nessuno, e dico nessuno, ha il coraggio di tornare e dire che il suo esperimento e’ stato un flop. Nonostante questo, di tanto in tanto, qualche simpatico sito ritira fuori questa storia come se fosse una novita’ assoluta. Che ci volete fare, in tempo di magra di catastrofi e complotti, ogni cosa e’ buona per cercare di accaparrarsi qualche visita sul sito.

Giusto per concludere, e per togliere ogni dubbio, il magnetismo e’ noto da tantissimo tempo. Gia’ ai tempi del greco Talete, che descrive il fenomeno, era noto che un materiale, la magnetite, era in grado di attirare limatura di ferro. Oggi, possiamo disporre di campi magnetici molto elevati per applicazioni di ricerca. Per farvi qualche esempio, il campo magnetico all’interno dell’esperimento ATLAS del CERN, si proprio quello della scoperta dell’Higgs insieme a CMS, e che viene utilizzato per curvare le particelle cariche, ha un’intensita’ di 2 Tesla, cioe’ circa 100000 volte il campo magnetico terrestre. Pensate sia tanto? Ci sono laboratori al mondo che si occupano proprio di studiare i campi magnetici cercando, per ricerca e applicazioni, di trovare materiali nuovi da poter essere utilizzati per creare campi magnetici sempre piu’ intensi. Un esempio? Nel “High Field Magnet Laboratory” in Olanda, si e’ raggiunto il valore di 38 Tesla con un sistema “economico” da soli 1.5 milioni di dollari. Questo pero’ non e’ ancora il record assoluto, anche se il laboratorio detiene il record come rapporto intensita’/prezzo, dal momento che il guiness dei primati per il campo magnetico piu’ intenso e’ del Magnet Lab della California:

– Magnet Lab

dove si e’ raggiunto il valore di 45 Tesla con un sistema molto complesso da ben 15 milioni di dollari.

Ora, ragioniamo insieme, secondo voi se esistesse questo effetto “barriera magnetica” dovuto all’attrazione dei poli, nessun altro se ne sarebbe accorto, magari con un sistema in grado di generare un campo ben piu’ intenso rispetto a quello di una semplice calamita a ferro di cavallo?

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

L’universo e’ stabile, instabile o meta-stabile?

Negli ultimi articoli, complici anche i tantissimi commenti e domande fatte, siamo tornati a parlare di ricerca e delle ultime misure scientifiche che tanto hanno fatto discutere. Come fatto notare pero’, molto spesso, queste discussioni che dovrebbero essere squisitamente scientifiche lasciano adito ad articoli su giornali, anche a diffusione nazionale, che male intendono o approfittano del clamore per sparare sentenze senza senso e, lasciatemelo dire, assolutamente fuori luogo.

In particole, nell’articolo precedente, abbiamo discusso l’ultima misura della massa del quark top ottenuta mediante la collaborazione dei fisici di LHC e del Tevetron. Questo risultato e’ il piu’ preciso mai ottenuto prima e ci consente, di volta in volta, di migliorare la nostra conoscenza, come spesso ripeto, sempre troppo risicata e assolutamente lontana dalla comprensione del tutto.

Per discutere la misura della massa del top, siamo partiti da una notizia apparsa sui giornali che parlava di un universo pronto a dissolversi da un istante all’altro. Premesso che, come fatto notare, questa notizia era completamente campata in aria, su suggerimento di una nostra cara lettrice, ci e’ stato chiesto di discutere con maggior dettaglio quello che molti chiamano il destino ultimo del nostro universo. Come forse avrete sentito, su alcune fonti si parla spesso di universo stabile, instabile o meta-stabile farfugliando, nel vero senso della parola, come questa particolarita’ sia legata alla massa di qualche particella.

Cerchiamo dunque di spiegare questo importante e non banale concetto cercando sempre di mantenere un approccio quanto possibile divulgativo.

Per prima cosa, dobbiamo tornare a parlare del bosone di Higgs. Come forse ricorderete, in un articolo specifico:

– Bosone di Higgs, ma che sarebbe? 

abbiamo gia’ affrontato la sua scoperta, cercando in particolare di spiegare il perche’ l’evidenza di questa particella sarebbe cosi’ importnate nell’ambito del modello standard e della fisica delle alte energie. Come fatto notare pero’, anche in questo caso, parliamo ancora di “evidenza” e non di “scoperta”. Visto che me lo avete chiesto direttamente, ci tengo a sottolineare questa importante differenza.

Come sapete, la fisica e’ detta una “scienza esatta”. Il motivo di questa definizione e’ alquanto semplice: la fisica non e’ esatta perche’ basata su informazioni infinitamente esatte, ma perche’ ogni misura e’ accompagnata sempre da un’incertezza esattamente quantificata. Questa incertezza, e’ quella che comunemente viene chiamato “errore”, cioe’ il grado di confidenza statistico che si ha su un determinato valore. Per poter parlare di evidenza, e’ necessario che la probabilita’ di essersi sbagliati sia inferiore di un certo valore, ovviamente molto basso. Per poter invece gridare alla scoperta, la probabiita’ statistica che quanto misurato sia un errore deve essere ancora piu’ bassa. Questo grado di confidenza, ripeto prettamente statistico, e’ quello che spesso sentiamo valutare riferendosi alla “sigma” o “all’incertezza”.

Bene, tornando al bosone di Higgs, perche’ si dice che ancora non c’e’ la sicurezza che quanto osservato sia proprio quell’Higgs che cerchiamo? Semplice, il grado di confidenza, non ci consente ancora di poter affermare con sicurezza statistica che la particella osservata sia proprio il bosone di Higgs che cerchiamo e non “un” bosone di Higgs o un’altra particella. Come ormai sappiamo, il bosone di Higgs tanto cercato e’ proprio quello relativo al campo di Higgs che determina la massa delle particelle. Per poter essere quel bosone, la particella deve essere, in particolare, scalare e con spin zero. Che significa? Praticamente, queste sono le caratteristiche che definiscono l’identikit dell’Higgs che cerchiamo. Se per quanto riguarda il fatto di essere scalare siamo convinti, per lo spin della particella, dal momento che decade in due fotoni, potrebbe avere spin 0 o 2. Per poter essere sicuri che lo spin sia proprio zero, sara’ necessario raccogliere ancora piu’ dati per determinare con sicurezza questa proprieta’ anche se statisticamente possiamo escludere con una certa incetezza che lo spin sia 2.

Detto questo, e supposto, con una buona confidenza statistica, che quanto trovato sia proprio il bosone di Higgs, sappiamo che la massa trovata per questa particella e’ 125.6 GeV con un un’incertezza totale di 0.4 GeV. Questo valore della massa ha pero’ aperto le porte per una discussione teorica molto accesa e di cui si inizia a parlare anche sui giornali non prettamente scientifici.

Perche’?

Come anticipato, la massa del bosone di Higgs determina la condizione di stabilita’ o instabilita’ del nostro universo. Perche’ proprio l’Higgs? Ovviamente, questo bosone e’ correlato con il campo scalare di Higgs, cioe’ quello che assegna la massa delle particelle. Ora pero’, nel modello standard, troviamo particelle che hanno masse anche molto diverse tra loro. Se osserviamo i quark, passiamo dall’up, il piu’ leggero, al top, il piu’ pesante, con una differenza di massa veramente enorme per particelle che appartengono alla stessa “famiglia”. Detto questo, per determinare la condizione di equilibrio, e tra poco spiegheremo cosa significa, del nostro universo, e’ possibile ragionare considerando proprio le masse dell’Higgs e del top.

In che modo?

Senza spendere troppe parole, vi mostro un grafico molto significativo:

 

Stabilita’ dell’universo data dalla correlazione delle masse Top-Higgs

Cosa significa questo grafico? Come potete vedere, incrociando il valore della massa del top con quella dell’Higgs e’ possibile capire in quale zona ci troviamo, appunto: stabile, instabile o meta-stabile. Scientificamente, queste sono le condizioni in cui puo’ trovarsi quello che e’ definito vuoto quantomeccanico dell’universo. Se l’universo fosse instabile, allora sarebbe transitato in una successione di stati diversi senza poter formare strutture complesse dovute all’evoluzione. Come potete facilmente capire, in questo caso, noi oggi non saremo qui ad interrogarci su come e’ fatto l’universo dal momento che non avremmo avuto neanche la possibilita’ di fare la nostra comparsa. In caso di universo stabile invece, come il termine stesso suggerisce, tutto rimane in uno stato stazionario senza grosse modificazioni. Meta-stabile invece cosa significa? Questo e’ un termine ricavato direttamente dalla termodinamica. Detto molto semplicemente, un sistema meta-stabile si trova in una posizione di minimo di energia non assoluto. Cioe’? Detto in altri termini, il sistema e’ in uno stato di equilibrio, ma sotto particolari condizioni puo’ uscire da questo stato e scendere verso qualcosa di piu’ stabile ancora. Per capirlo meglio, immaginate di mettere una scodella sul pavimento con dentro una pallina. Se muovete di poco la pallina questa oscillera’ e ricadra’ sul fondo, posizione di equilibrio meta-stabile. Se date un colpo piu’ forte, la pallina uscira’ dalla scodella e andra’ sul pavimento. A questo punto pero’ il vostro sistema immaginario ha raggiunto la posizione piu’ stabile.

Ora, capite bene quanto sia importante e interessante capire che tipo di sistema e’ il nostro universo per determinare eventuali e future evoluzioni temporali che potrebbero avvenire. Come visto nel grafico precedente, per capire lo stato dell’universo possiamo valutare le masse del top e dell’Higgs.

Cosa otteniamo con i valori delle masse oggi conosciuti? Come potete vedere, come per un simpatico scherzo, la massa dell’Higgs ci posizione proprio nella strettissima zona di meta-stabilita’ del nostro universo. Come anticipato, il fatto di non essere nella zona di instabilita’ e’ assolutamente comprensibile pensando al fatto che noi oggi siamo qui. Certo, una massa superiore a 126 GeV ci avrebbe piazzato nella zona stabile dove, come si dice nelle favole, “vissero felici e contenti”. Cosa comporta il fatto di essere nella regione di meta-stabilita’? Come qualcuno, incurante della scienza, cerca di farvi credere, siamo in bilico su una corda. Il nostro universo da un momento all’altro potrebbe transitare verso uno stato piu’ stabile modificando radicalmente le proprieta’ del vuoto quantomeccanico. In questo caso, il nostro universo collasserebbe e segnebbe la nostra fine.

E’ vero questo?

Assolutamente no. Prima di tutto, cerchiamo di ragionare. Come detto, la massa attuale del bosone di Higgs e’ 125.6+/-0.4 GeV. Questo significa che entro una certa probabilita’, piu’ del 15%, la massa del bosone potrebbe essere maggiore di 126 GeV. In questo caso la misura sarebbe pienamente della regione “stabile” dell’universo. Ovviamente, per poter determinare con precisione questo valore e’ necessario ridurre l’incertezza che accompagna la misura in modo da “stringere” l’intervallo entro cui potrebbe essere compresa questa massa.

Se anche l’universo fosse in uno stato meta-stabile, non possiamo certo pensare che da un momento all’altro questo potrebbe uscire dallo stato di equilibrio e transitare verso altro se non in particolari condizioni. Vi ripeto nuovamente come in questo caso ci stiamo muovendo all’interno di ragionamenti prettamente teorici in cui gli stessi principi della fisica che oggi conosciamo potrebbero non essere validi. Secondo alcuni infatti, la stessa evoluzione dell’universo che ha portato oggi fino a noi potrebbe essere stata possibile proprio grazie alla natura meta-stabile del vuoto quantomeccanico.

Come ricorderete, in questi articoli:

– Universo: foto da piccolo

– Ascoltate finalmente le onde gravitazionali?

cosi’ come in tutti quelli richiamati a loro volta, abbiamo parlato dell’inflazione, cioe’ di quel particolare periodo nell’evoluzione dell’universo che ha portato ad una notevole espansione in tempi brevissimi. Conseguenza dell’inflazione e’ l’avere un universo omogeneo ed isotropo ed in cui le fluttuazione della radiazione di fondo sono molto ridotte. Bene, il bosone di Higgs potrebbe avere avuto un ruolo decisivo per l’innesco del periodo inflazionario. Secondo alcune teorie, infatti, le condizioni fisiche per poter accendere l’inflazione potrebbero essere state date da una particella scalare e l’Higgs potrebbe appunto essere questa particella. Se proprio devo aprire una parentesi, per poter affermare con sicurezza questa cosa, dobbiamo essere sicuri che la fisica che conosciamo oggi possa essere applicata anche in quella particolare fase dell’universo, cioe’ che i modelli attualmente conosciuti possano essere estrapolati a quella che viene comunemente definita massa di Planck dove tutte le forze fondamentali si riunificano. Ovviamente, per poter affermare con sicurezza queste teorie sono necessarie ancora molte ricerche per determinare tutti i tasselli che ancora mancano a questo puzzle.

Seguendo questa chiave di lettura, il fatto di essere in un universo meta-stabile, piu’ che un rischio potrebbe essere stata proprio la caratteristica che ha permesso l’evoluzione che poi ha portato fino ai giorni nostri, con la razza umana presente sulla Terra.

Altro aspetto curioso e importante della meta-stabilita’ dell’universo e’ la possibilita’ di includere i cosiddetti multiversi. Detto molto semplicemente, il fatto che l’universo sia meta-stabile apre gli scenari ad una serie di universi paralleli tutti uno di seguito all’altro caratterizzati da valori continui di alcuni parametri fisici. Non si tratta di racconti fantascientifici o di fantasia ma di vere e proprie teorie fisiche riguardanti il nostro universo.

Concludendo, la scoperta, o l’evidenza, del bosone di Higgs e’ stata sicuramente un ottimo risultato raggiunto dalla fisica delle alte energie, ma certamente non un punto di arrivo. La misura, ancora solo preliminare, della massa della particella apre le porte a scenari di nuova fisica o di considerazioni molto importanti circa la natura del nostro stesso universo. Come visto in questo articolo, quelli che apparentemente potrebbero sembrare campi del sapere completamente diversi e lontani, l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande, sono in realta’ correlati tra loro proprio da singole misure, come quella della massa dell’Higgs. A questo punto, capite bene come lo scneario si fa sempre piu’ interessante e sara’ necessario fare ancora nuove ricerche prima di arrivare a qualcosa di certo.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

In diverse occasioni abbiamo parlato di antimateria, mostrando in particolare le proprieta’ di questa e cercando anche di rispondere ai tanti quesiti che spesso restano insoluti nei non addetti ai lavori:

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

In particolare, il discorso principale sull’antimateria non risiede tanto nella sua produzione oggi, bensi’ sul perche’, durante le prime fasi del big bang, la materia sia riuscita a dominare formando l’universo che oggi vediamo. Di questi importanti concetti abbiamo parlato in questo post:

– E parliamo di questo Big Bang

Come visto, il modello teorico che spiega come la materia sia riuscita a dominare sulla controparte prevede tre condizioni, dette di Sakharov in onore del fisico russo che le ha formulate, di cui una riguarda quella che in fisica e’ nota come violazione di CP. Come visto nel post precedente, la violazione di questa proprieta’ delle particelle, indica chiaramente uno squilibrio tra materia e antimateria.

Decadimenti con violazione di CP sono stati osservati in alcune particelle, ma l’intensita’ di questa violazione e’ ancora non sufficiente a confermare quanto proposto da Sakharov.

Proprio pochi giorni fa, l’esperimento LhCB del Cern ha annunciato una nuova importante misura condotta studiando i decadimenti delle particelle Bs.

Cerchiamo di andare con ordine e di capire insieme di cosa si tratta.

Ovviamente, il CERN, cosi’ come LHC, sono divenuti famosi per la ricerca del bosone di Higgs, di cui abbiamo parlato in questo post:

– Bosone di Higgs … ma cosa sarebbe?

La collaborazione LhCB nella caverna dove e’ montato l’esperimento

Oltre ad Atlas e CMS, che sono gli esperimenti che partecipano direttamente alla ricerca del famoso bosone, esistono anche altri 2 rivelatori installati su LHC, chiamati LhCB e Alice. Avendo a disposizione un acceleratore di prim’ordine, e’ ovviamente possibile pensare misure molto importanti di fisica, aprendo gli scenari a scoperte molto importanti nella ricerca di base.

Questa volta, parliamo dunque di LhCB. Si tratta di un esperimento interamente dedicato allo studio dei mesoni “B”, cioe’ composti che includono un quark “bottom”. I mesoni “B” sono estremamente instabili e decadono in brevissimo tempo in altre particelle. Nonostante questo, si pensa che queste particelle fossero molto presenti nel neonato universo e abbiano avuto un ruolo molto importante proprio nella formazione di quello che oggi vediamo. Per alcuni mesoni B, e’ stata gia’ osservata la violazione di CP, di cui parlavamo prima, ma nonostante questo, vista la diretta relazione tra i B ed il Big Bang, uno studio attento e preciso, come solo LHC puo’ permettere, e’ molto importante per capire meglio queste dinamiche.

Detto questo, proprio negli ultimi giorni, LhCB ha annunciato di aver ottenuto importanti risultati nello studio dei decadimenti del Bs, cioe’ di mesoni B contenenti anche quark strange. Studiando un campione di circa 1000 eventi, i fisici di LhCB hanno evidenziato come in quasi 700 casi, i mesoni anti-Bs, cioe’ le antiparticelle, scomparivano decadendo in qualcos’altro. Al contrario, solo in  meno di 400 casi, la stessa cosa avveniva per i Bs, cioe’ le particelle ordinarie.

Cosa significa questo?

Molto semplicemente, e’ stata evidenziata una nuova asimmetria nell’universo. Come potete capire dai numeri riportati, le antiparticelle tendono a decadere, dunque a scomparire, con una probabilita’ maggiore rispetto a quella delle particelle. Detto in altri termini, la natura tende, in questo caso, a far dominare la materia rispetto all’antimateria.

Come detto, questo e’ esattamente quanto accaduto nei primi istanti dell’universo, quando l’equilibrio tra materia e antimateria e’ venuto meno, facendo scomparire quest’ultima e creando il nostro universo di sola materia.

Purtroppo, anche in questo caso, l’intensita’ della violazione osservata, non e’ ancora sufficiente a spiegare i forti meccanismi avvenuti nel baby universo. Molto probabilmente, per spiegare questo sara’ necessario parlare di nuova fisica, cioe’ di particelle e proprieta’ non predette dal modello standard. Sicuramente, la misura fatta da LhCB apre nuovi scenari e ancora molto ci si aspetta da questo esperimento, soprattutto in relazione alle ottime performance che LHC sta regalando ai quattro esperimenti installati.

Concludendo, la misura annunciata da LhCB in questi giorni, ed in via di pubblicazione, evidenzia una nuova asimmetria nella natura, o meglio un nuovo squilibrio tra materia e antimateria. Uno studio attento di queste proprieta’ e’ di fondamentale importanza per capire meglio come si e’ formato il nostro universo. Sicuramente, LHC ci regalera’ ancora tantissime nuove scoperte che, come evidenziato da questo articolo, non devono essere pensate limitate solo al bosone di Higgs.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

In tanti mi avete chiesto informazioni circa la scoperta del bosone di Higgs. Come sapete bene, negli ultimi mesi, molto si e’ parlato di questa probabile scoperta, dando ampio spazio su giornali e telegiornali al CERN, all’acceleratore LHC e agli esperimenti principali, Atlas e CMS, che hanno lavorato alla ricerca di questa particella.

La scoperta, ripeto probabile come vedremo in seguito, del bosone di Higgs e’ stata fondamentale per la fisica e per la nostra conoscenza della materia e, lasciatemelo dire, mi ha riempito di gioia avendo lavorato per circa quattro anni alla costruzione proprio dell’esperimento Atlas.

Quello che pero’ molti mi chiedono e’: si parla tanto di questo bosone di Higgs, tutti ne parlano dicendo che e’ “quello che spiega la massa delle particelle”, ma, in soldoni, di cosa si tratta? Perche’ spiegherebbe la massa delle particelle?

Purtroppo le domande sono ben poste, dal momento che spesso, girando per la rete, non si trovano risposte semplicissime a questi quesiti. Cerchiamo dunque, per quanto possibile, di rispondere a queste domande, mantenendo sempre un profilo divulgativo e accessibile a tutti.

Detto nel linguaggio della fisica, la spiegazione sarebbe piu’ o meno questa:

L’universo e’ permeato da un campo a spin zero, detto campo di Higgs, doppietto in SU(2) e con ipercarica U(1), ma privo di colore. I bosoni di gauge e i fermioni interagiscono con questo campo acquisendo massa.

Chiaro? Ovviamente no.

Cerchiamo di capirci qualcosa di piu’.

In questi post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

– Due parole sull’antimateria

Abbiamo parlato del “Modello Standard” delle particelle. Come visto, la materia ordinaria, anche se apparentemente sembrerebbe molto variegata, e’ in realta’ composta di pochi ingredienti fondamentali: i quark, i leptoni e i bosoni messaggeri. Niente di difficile, andiamo con ordine.

Le particelle del Modello Standard

Protoni e neutroni, ad esempio, non sono particelle fondamentali, ma sono composti da 3 quark. Tra i leptoni, sicuramente il piu’ conosciuto e’ l’elettrone, quello che orbita intorno ai nuclei per formare gli atomi. E i bosoni messaggeri? In fisica esistono delle interazioni, chiamiamole anche forze, che sono: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza forte e la forza debole. La forza forte, ad esempio, che viene scambiata mediante gluoni, e’ quella che tiene insieme i quark nelle particelle. Il fotone invece e’ quello che trasporta la forza elettromagnetica, responsabile, in ultima analisi, delle interazioni chimiche e delle forze meccaniche che osserviamo tutti i giorni.

Bene, fin qui sembra tutto semplice. L’insieme di queste particelle forma il Modello Standard. Ci sono gli ingredienti per formare tutte le particelle ordinarie e ci sono i bosoni messaggeri che ci permettono di capire le forze che avvengono. Dunque? Con il Modello Standard abbiamo capito tutto? Assolutamente no.

Il Modello Standard funziona molto bene, ma presenta un problema molto importante. Nella trattazione vista, non e’ possibile inserire la massa delle particelle. Se non c’e’ la massa, non c’e’ peso. Se un pezzo di ferro e’ composto di atomi di ferro e se gli atomi di ferro sono fatti di elettroni, protoni e neutroni, le particelle “devono” avere massa.

Dunque? Basta inserire la massa nel modello standard. Facile a dirsi ma non a farsi. Se aggiungiamo a mano la massa nelle equazioni del modello standard, le equazioni non funzionano piu’. I fisici amano dire che l’invarianza di Gauge non e’ rispettata, ma e’ solo un modo complicato per spiegare che le equazioni non funzionano piu’.

Se non possiamo inserire la massa, e noi sappiamo che la massa c’e’ perche’ la testiamo tutti i giorni, il modello standard non puo’ essere utilizzato.

A risolvere il problema ci ha pensato Peter Higgs negli anni ’60. Ora la spiegazione di Higgs e’ quella che ho riportato sopra, ma cerchiamo di capirla in modo semplice. Supponiamo che effettivamente le particelle non abbiano massa. Hanno carica elettrica, spin, momento angolare, ma non hanno massa intrinseca. L’universo e’ pero’ permeato da un campo, vedetelo come una sorta di gelatina, che e’ ovunque. Quando le particelle passano attraverso questa gelatina, vengono frenate, ognuna in modo diverso. Proprio questo frenamento sarebbe responsabile della massa che le particelle acquisiscono.

Tradotto in equazioni, questo ragionamento, noto come “meccanismo di Higgs”, funzionerebbe benissimo e il modello standard sarebbe salvo. Perche’ dico funzionerebbe? Come facciamo a dimostrare che esiste il campo di Higgs?

Il campo di Higgs, se esiste, deve possedere un quanto, cioe’ un nuovo bosone la cui esistenza non era predetta nel modello standard, detto appunto “bosone di Higgs”. Detto proprio in termini semplici, riprendendo l’esempio del campo di Higgs come la gelatina di frenamento, questa gelatina ogni tanto si dovrebbe aggrumare formando una nuova particella, appunto il bosone di Higgs.

Dunque, se esiste il bosone di Higgs, allora esite il campo di Higgs e dunque possiamo spiegare la massa delle particelle.

Capite dunque l’importanza della ricerca di questa particella. La sua scoperta significherebbe un notevole passo avanti nella comprensione dell’infinitamente piccolo, cioe’ dei meccanismi che regolano l’esistenza e la combinazione di quei mattoncini fondamentali che formano la materia che conosciamo.

Oltre a questi punti, il bosone di Higgs e’ stato messo in relazione anche con la materia oscura di cui abbiamo parlato in questo post:

– La materia oscura

In questo caso, la scoperta e lo studio di questa particella potrebbe portare notevoli passi avanti ad esempio nello studio delle WIMP, come visto uno dei candidati della materia oscura.

Dunque? Cosa e’ successo al CERN? E’ stato trovato o no questo bosone di Higgs?

In realta’ si e no. Nella prima conferenza stampa del CERN si parlava di evidenza di una particella che poteva essere il bosone di Higgs. In questo caso, le affermazioni non sono dovute al voler essere cauti dei fisici, semplicemente, l’evidenza statistica della particella non era ancora sufficiente per parlare di scoperta.

L’ultimo annuncio, solo di pochi giorni fa, ha invece confermato che si trattava proprio di “un” bosone di Higgs. Perche’ dico “un” bosone? In realta’, potrebbero esistere diverse tipologie di bosoni di Higgs. Ad oggi, quello trovato e’ sicuramente uno di questi, ma non sappiamo ancora se e’ proprio quello di cui stiamo parlando per il modello standard.

Anche se tutte le indicazioni fanno pensare di aver fatto centro, ci vorranno ancora diversi anni di presa dati per avere tutte le conferme e magari anche per evidenziare l’esistenza di altri bosoni di Higgs. Sicuramente, la scoperta di questa particella apre nuovi orizzonti nel campo della fisica delle particelle e prepara il campo per una nuova ricchissima stagione di misure e di scoperte.

Onde evitare commenti del tipo: “serviva spendere tutti questi soldi per una particella?”, vi segnalo due post molto interessanti proprio per rispondere a queste, lasciatemi dire lecite, domande:

– Perche’ la ricerca: scienza e tecnologia

– Perche’ la ricerca: economia

In realta’, LHC ed i suoi esperimenti, oltre a portare tantissime innovazioni tecnologiche che non possiamo ancora immaginare, sono state un importante volano per l’economia dei paesi europei. Investendo nel CERN, l’Italia, e soprattutto le nostre aziende, hanno avuto un ritorno economico molto elevato e sicuramente superiore a quanto investito.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Perche’ la ricerca: economia

Nel post precedente:

– Perche’ la ricerca: scienza e tecnologia

abbiamo cercato di rispondere alla domanda “perche’ fare ricerca?” discutendo il lato tecnologico e le possibili ricadute scientifiche nella vita di tutti i giorni. Come detto, stiamo cercando di rispondere a questa domanda non in senso generale, ma proprio contestualizzando la risposta in questi anni di profonda crisi economica o, comunque, investendo nella ricerca a discapito di settori considerati piu’ importanti o vitali per tutti i cittadini.

Dopo queste considerazioni piu’ tecniche, vorrei invece analizzare il discorso economico della ricerca. Come sappiamo, e come abbiamo visto nel precedente post, fare ricerca ad alti livelli implica investimenti molto massicci. Tolte le ricadute tecnologiche, cerchiamo invece di capire se sono investimenti a fondo perduto o se implicano un ritorno economico tangibile per le nazioni.

Come nel caso precedente, prendiamo come esempio tra grandi ricerche in settori diversi per cercare di quantificare in modo pratico, numeri alla mano. I soliti tre esempi sono: ITER, il reattore a fusione per scopi di ricerca, le missioni spaziali e il CERN, come esempio di grande laboratorio per la fisica delle particelle.

Partiamo da ITER e partiamo con una considerazione che ci deve far riflettere. ITER e’ una collaborazione internazionale in cui entrano gli Stati Uniti, il Giappone e alcuni paesi europei. Come detto, parliamo di un investimento dell’ordine di 10 miliardi di euro. Forse vi fara’ riflettere il fatto che Francia e Giappone hanno discusso per lungo tempo proprio per cercare di costruire il reattore nel proprio paese. Ovviamente averlo in casa offre dei vantaggi notevoli in termini di ricadute tecnologiche, ma sicuramente implica una maggiore spesa per il paese ospitante. Conoscendo la situazione economica attuale, se un paese cerca in tutti i modi di averlo in casa e dunque spendere di piu’, significa che qualcosa indietro deve avere.

Passiamo invece alle missioni spaziali. Altro tema scottante nel discorso economico e molte volte visto come una spesa enorme ma non necessaria in tempi di crisi. Partiamo, ad esempio, dal discorso occupazionale. Molte volte sentiamo dire dai nostri politicanti o dagli esperti di politica ecnomica che si devono fare investimenti per creare posti di lavoro. Vi faccio un esempio, al suo apice, il programma di esplorazione Apollo dava lavoro a circa 400000 persone. Non pensiamo solo agli scienziati. Un programma del genere crea occupazione per tutte le figure professionali che vanno dall’operaio fino al ricercatore, dall’addetto alle pulizie dei laboratori fino all’ingegnere. Ditemi voi se questo non significa creare posti di lavoro.

Passando invece all’esempio del CERN, sicuramente i numeri occupazionali sono piu’ piccoli, ma di certo non trascurabili. Al CERN ci sono circa 2500 persone che tutti i giorni lavorano all’interno del laboratorio. A questi numeri si devono poi sommare quelli dei paesi che partecipano agli esperimenti ma non sono stanziali a Ginevra. In questo caso, arriviamo facilmente ad una stima intorno alle 15000 unita’.

A questo punto pero’ sorge una domanda che molti di voi si staranno gia’ facendo. LHC, come esempio, e’ costato 6 miliardi di euro. E’ vero, abbiamo creato posti di lavoro, ma la spesa cosi’ elevata giustifica questi posti? Con questo intendo, se il ritorno fosse solo di numeri occupazionali, allora tanto valeva investire cifre minori in altri settori e magari creare piu’ posti di lavoro.

L’obiezione e’ corretta. Se il ritorno fosse solo questo, allora io stesso giudicherei l’investimento economico, non scientifico, fallimentare. Ovviamente c’e’ molto altro in termini finanziari.

Prima di tutto vi devo spiegare come funziona il CERN. Si tratta di un laboratorio internazionale, nel vero senso della parola. Il finanziamento del CERN viene dai paesi membri. Tra questi, dobbiamo distinguere tra finanziatori principali e membri semplici. Ovviamente i finanziatori principali, che poi sono i paesi che hanno dato il via alla realizzazione del CERN, sono venti, tra cui l’Italia, ma, ad esempio, alla costruzione di LHC hanno partecipato circa 50 paesi. Essere un finanziatore principale comporta ovviamente una spesa maggiore che viene pero’ calcolata anno per anno in base al PIL di ogni nazione.

Concentriamoci ovviamente sul caso Italia, ed in particolare sugli anni caldi della costruzione di LHC, quelli che vanno dal 2000 al 2006, in cui la spesa richiesta era maggiore.

Nel 2009, ad esempio, il contributo italiano e’ stato di 83 milioni di euro, inferiore, in termini percentuali, solo a Francia, Germania e Regno Unito.

Contributo italiano al CERN in milioni di euro. Fonte: S.Centro, Industrial Liaison Officer

Il maggiore ritorno economico per i paesi e’ ovviamente in termini di commesse per le industrie. Che significa questo? Servono 100 magneti, chi li costruisce? Ovviamente le industrie dei paesi membri che partecipano ad una gara pubblica. Il ritorno economico comincia dunque a delinearsi. Investire nel CERN implica un ritorno economico per le industrie del paese che dunque assumeranno personale per costruire questi magneti. Stiamo dunque facendo girare l’economia e stiamo creando ulteriori posti di lavoro in modo indiretto.

Apriamo una parentesi sull’assegnazione delle commesse. Ovviamente si tratta di gare pubbliche di appalto. Come viene decretato il vincitore? Ogni anno, il CERN calcola un cosiddetto “coefficiente di giusto ritorno”, e’ un parametro calcolato come il rapporto tra il ritorno in termini di commesse per le industrie e il finanziamento offerto alla ricerca. Facciamo un esempio, voi investite 100 per finanziare la costruzione di LHC, le vostre industrie ottengono 100 di commesse dal CERN, il coefficiente di ritorno vale 1.

Ogni anno, in base al profilo di spesa, ci saranno coefficienti diversi per ciascun paese. Si parla di paesi bilanciati e non bilanciati a seconda che il loro coefficiente sia maggiore o minore del giusto ritorno. In una gara per una commessa, se l’industria di un paese non bilanciato arriva seconda dietro una di un paese gia’ bilanciato, e lo scarto tra le offerte e’ inferiore al 20%, allora l’industria del paese non bilanciato puo’ aggiudicarsi la gara allineandosi con l’offerta del vincitore. In questo modo, viene ripartito equamente, secondo coefficienti matematici, il ritorno per ciascun paese.

Cosa possiamo dire sull’Italia? Negli anni della costruzione di LHC, LItalia ha sempre avuto un coefficiente molto superiore al giusto ritorno. Per dare qualche numero, tra il 1995 e il 2008, il nostro paese si e’ aggiudicato commesse per le nostre aziende per un importo di 337 milioni di euro.

Vi mostro un altro grafico interessante, sempre preso dal rapporto del prof. S.Centro dell'”Industrial Liaison Officer for Italian industry at CERN”:

Commesse e coefficiente di ritorno per l’Italia. Fonte: S.Centro, Industrial Liaison Officer

A sinistra vedete gli importi delle commesse per gli anni in esame per il nostro Paese, sempre in milioni di euro, mentre a destra troviamo il coefficiente di ritorno per l’Italia calcolato in base all’investimento fatto. Tenete conto che in quesgli anni, la media del giusto ritorno calcolato dal CERN era di 0.97.

Guardando i numeri, non possiamo certo lamentarci o dire che ci abbiano trattato male. La conclusione di questo ragionamento e’ dunque che un investimento nella ricerca scientifica di qualita’, permette un ritorno economico con un indotto non indifferente per le aziende del paese. Ogni giorno sentiamo parlare di rilancio delle industrie, di creazione di posti di lavoro, di rimessa in moto dell’economia, mi sembra che LHC sia stato un ottimo volano per tutti questi aspetti.

Ultima considerazione scientifico-industriale. Le innovazioni apportate facendo ricerca scientifica, non muoiono dopo la realizzazione degli esperimenti. Soluzioni tecnologiche e migliorie entrano poi nel bagaglio industriale delle aziende che le utilizzano per i loro prodotti di punta. Molte aziende vengono create come spin-off di laboratori, finanziate in grossa parte dalla ricerca e poi divengono delle realta’ industriali di prim’ordine. L’innovazione inoltra porta brevetti che a loro volta creano un ritorno economico futuro non quantificabile inizialmente.

Concludendo, anche dal punto di vista economico, fare ricerca non significa fare finanziamenti a fondo perduto o fallimentari. Questo sicuramente comporta un ritorno economico tangibile immediato. Inoltre, il ritorno in termini tecnologici e di innovazione non e’ quantificabile. Fare ricerca in un determinato campo puo’ portare, immediatamente o a distanza di anni, soluzioni che poi diventeranno di uso comune o che miglioreranno settori anche vitali per tutti.

Vi lascio con una considerazione. Non per portare acqua al mulino della ricerca, ma vorrei farvi riflettere su una cosa. In questi anni di crisi, molti paesi anche europei, ma non l’Italia, hanno aumentato i fondi dati alla ricerca scientifica. A fronte di quanto visto, forse non e’ proprio uno sperpero di soldi.

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Perche’ la ricerca: scienza e tecnologia

Molte volte, parlando di scienza e di ricerca scientifica, mi viene fatta una domanda apparentemente banale, ma che in realta’ nasconde un vero e proprio mondo: Perche’ fare ricerca?

Ovviamente in questo caso non parlo del senso letterale della domanda. E’ noto a tutti che la ricerca scientifica ci permette di aumentare la nostra conoscenza del mondo, dei meccanimi della natura e ci consente di dare un piccolo contributo al dilemma: da dove veniamo e dove andiamo?

In questo post e nel successivo, vorrei cercare di parlare proprio del senso piu’ pratico di questa domanda. Al giorno d’oggi, con la crisi che imperversa, molti si chiedono che senso abbia “sperperare” soldi nella ricerca scientifica invece di utilizzarli per fini piu’ pratici e tangibili per la societa’.

In questo primo post vorrei parlare delle motivazioni scientifiche e tenologiche della ricerca scientifica, mentre nel prossimo post mi vorrei concentrare sugli aspetti piu’ prettamente economici.

Premesso questo, cerchiamo di capire quali sono le implicazioni e le migliorie scientifiche apportate dall’attivita’ di ricerca.

Molti di voi sapranno gia’ che diverse tecniche di diagnostica medica, come la radiografia, la TAC, la PET, provengono e sono state pensate nell’ambito della ricerca scientifica ed in particolare per la costruzione di rivelatori per le particelle. Questi sono discorsi abbastanza noti e per principio non vi faro’ la solita storiella con date e introduzione negli ospedali di queste tecniche.

Parliamo invece di cose meno note, ma forse ben piu’ importanti.

A costo di sembrare banale, vorrei proprio iniziare da LHC al CERN di Ginevra e dalla ricerca nella fisica delle alte energie. In questo caso, stiamo parlando del piu’ grande acceleratore in questo settore e ovviamente anche del piu’ costoso. Con i suoi 6 miliardi di euro, solo per l’acceleratore senza conteggiare gli esperimenti, parliamo di cifre che farebbero saltare sulla sedia molti non addetti ai lavori.

Che vantaggi abbiamo ottenuto a fronte di una spesa cosi grande?

Next: il primo server WWW del CERN

Partiamo dalle cose conosciute. Solo per darvi un esempio, il “world wide web” e’ nato proprio al CERN di Ginevra, dove e’ stato sviluppato per creare un modo semplice e veloce per lo scambio di dati tra gli scienziati. Ad essere sinceri, un prototipo del WWW era gia’ stato sviluppato per ambiti militari, ma l’ottimizzazione e la resa “civile” di questo mezzo si deve a due ricercartori proprio del CERN:

– CERN, were the web was born

Restando sempre in ambito tecnlogico, anche l’introduzione del touchscreen e’ stata sviluppata al CERN e sempre nell’ambito della preparazione di rivelatori di particelle. A distanza di quasi 20 anni, questi sistemi sono ormai di uso collettivo e vengono utilizzati in molti degli elettrodomestici e dei gadget a cui siamo abituati.

Uno dei primi sistemi touch introdotti al CERN

Pensandoci bene, tutto questo e’ normale. Rendiamoci conto che costruire un acceleratore o un esperimento sempre piu’ preciso, impone delle sfide tecnologiche senza precedenti. Laser, sistemi di controllo ad alta frequenza, magneti, rivelatori sono solo alcuni esempi dei sistemi che ogni volta e’ necessario migliorare e studiare per poter costruire una nuova macchina acceleratrice.

Anche in ambito informatico, la ricerca in fisica delle alte energie impone dei miglioramenti che rappresentano delle vere e proprie sfide tecnologiche. Un esperimento di questo tipo, produce un’enorme quantita’ di dati che devono essere processati e analizzati in tempi brevissimi. Sotto questo punto di vista, la tecnologia di connessione ad altissima velocita’, le realizzazione di sistemi di contenimento dei dati sempre piu’ capienti e lo sviluppo di macchine in grado di fare sempre piu’ operazioni contemporaneamente, sono solo alcuni degli aspetti su cui la ricerca scientifica per prima si trova a lavorare.

Saltando i discorsi della diagnostica per immagini di cui tutti parlano, molte delle soluzioni per la cura di tumori vengono proprio dai settori della fisica delle alte energia. Basta pensare alle nuove cure adroterapiche in cui vengono utilizzati fasci di particelle accelerati in piccoli sistemi per colpire e distruggere tumori senza intaccare tessuti sani. Secondo voi, dove sono nate queste tecniche? Negli acceleratori vengono accelerate particelle sempre piu’ velocemente pensando sistemi sempre piu’ tecnologici. La ricerca in questi settori e’ l’unico campo che puo’ permettere di sviluppare sistemi via via piu’ precisi e che possono consentire di colpire agglomerati di cellule tumorali di dimensioni sempre minori.

Detto questo, vorrei cambiare settore per non rimanere solo nel campo della fisica delle alte energie.

In Francia si sta per realizzare il primo reattore a fusione per scopi di ricerca scientifica. Questo progetto, chiamato ITER, e’ ovviamente una collaborazione internazionale che si prefigge di studiare la possibile realizzazione di centrali necleari a fusione in luogo di quelle a fissione. Parlare di centrali nucleari e’ un discorso sempre molto delicato. Non voglio parlare in questa sede di pericolosita’ o meno di centrali nucleari, ma il passaggio della fissione alla fusione permetterebbe di eliminare molti degli svantaggi delle normali centrali: scorie, fusione totale, ecc. Capite dunque che un investimento di questo tipo, parliamo anche in questo caso di 10 miliardi di euro investiti, potrebbe portare un’innovazione nel campo della produzione energetica senza eguali. Se non investiamo in queste ricerche, non potremmo mai sperare di cambiare i metodi di produzione dell’energia, bene primario nella nostra attuale societa’.

La sonda Curiosity della NASA

Passando da un discorso all’altro, in realta’ solo per cercare di fare un quadro variegato della situazione, pensiamo ad un altro settore sempre molto discusso, quello delle missioni spaziali. Se c’e’ la crisi, che senso ha mandare Curiosity su Marte? Perche’ continuiamo ad esplorare l’universo?

Anche in questo caso, saltero’ le cose ovvie cioe’ il fatto che questo genere di missioni ci consente di capire come il nostro universo e’ nato e come si e’ sviluppato, ma parlero’ di innovazione tecnologica. Una missione spaziale richiede l’utilizzo di sistemi elettronici che operano in ambienti molto difficili e su cui, una volta in orbita, non potete certo pensare di mettere mano in caso di guasto. L’affidabilita’ di molte soluzioni tecnologiche attuali, viene proprio da studi condotti per le missioni spaziali. Esperimenti di questo tipo comportano ovviamente la ricerca di soluzioni sempre piu’ avanzate, ad esempio, per i sistemi di alimentazione. L’introduzione di batterie a lunghissima durata viene proprio da studi condotti dalle agenzie spaziali per le proprie missioni. Anche la tecnologia di trasmissione di dati a distanza, ha visto un salto senza precedenti proprio grazie a questo tipo di ricerca. Pensate semplicemente al fatto che Curiosity ogni istante invia dati sulla Terra per essere analizzati. Se ci ragionate capite bene come queste missioni comportino lo sviluppo di sistemi di trasferimento dei dati sempre piu’ affidabili e precise per lunghissime distanze. Ovviamente tutti questi sviluppi hanno ricadute molto rapide nella vita di tutti i giorni ed in settori completamente diversi da quelli della ricerca scientifica.

Concludendo, spero di aver dato un quadro, che non sara’ mai completo e totale, di alcune delle innovazioni portate nella vita di tutti i giorni dalla ricerca scientifica. Come abbiamo visto, affrontare e risolvere sfide tecnologiche nuove e sempre piu’ impegnativa consente di trovare soluzioni che poi troveranno applicazione in campi completamente diversi e da cui tutti noi potremmo trarre beneficio.

Ovviamente, ci tengo a sottolineare che la conoscenza apportata dai diversi ambiti di ricerca non e’ assolutamente un bene quantificabile. Se vogliamo, questo potrebbe essere il discorso piu’ criticabile in tempi di crisi, ma assolutamente e’ la miglioria della nostra consapevolezza che ci offre uno stimolo sempre nuovo e crea sempre piu’ domande che risposte.

Post successivo sul discorso economico: Perche’ la ricerca: economia

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