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.

E adesso abbiamo i “cani solari”

Solo qualche giorno fa, ho ricevuto un commento molto interessante riguardante quello che secondo la cultura popolare e’ un rarissimo evento naturale, spesso enfatizzato come portatore di qualche presagio o messaggio divino. Come evidenziato dal titolo, si tratta dei cosiddetti “Cani Solari”, dall’inglese “Sun Dog”, anche noti come “Parhelion”, dal greco “Accanto al sole”.

Non sapete di cosa si tratta? Senza tanti giri di parole, vi mostro una foto che vi lascera’ a bocca aperta:

Il fenomeno del Parhelion o Sun Dog

Come vedete, si tratta di una sorta di arcobaleno che si manifesta intorno al sole ma che, a differenza del classico fenomeno conosciouto da tutti, ha i colori invertiti con il rosso all’interno e il violetto all’esterno. Quella mostrata e’ una foto di un Sun Dog completo, cioe’ completamente circolare. Spesso vengono riportate testimonianze di cerchi incompleti come se fossero presenti tre soli in cielo:

Sun dog incompleto come se vi fossero tre soli all’orizzonte

Come e’ evidente, si tratta di un fenomeno veramente affascinante e che, come riportato, lascia a bocca aperta le fortunate persone che riescono ad assistere al fenomeno.

Ora che abbiamo capito quello di cui stiamo parlando, cerchiamo di capire dal punto di vista scientifico come e perche’ si manifestano questi fenomeni.

Come e’ noto, i classici arcobaleni si formano a causa della dispersione dei raggi solari quando questi passano all’interno di minuscole gocce d’acqua in sospensione dopo un temporale. A causa della riflessione, la luce bianca del Sole, cioe’ composta da diverse lunghezze d’onda, viene scomposta e ciascuna frequenza esce con un angolo diverso, separandosi dalle altre.

Cosi’ per assonanza, possiamo pensare che anche il fenomeno dei Sun Dog sia dovuto ad un evento similare. Questo infatti e’ corretto. Quello che pero’ distingue questi fenomeni dagli altri piu’ noti, e’ nel mezzo che crea la dispersione.

I Parhelion sono creati dalla dispersione della luce solare a causa di minuscoli cristalli di ghiaccio in sospensione che restano a seguito di un violento temporale freddo o come residui del passaggio di cirri. Generalemente, questi mini cristalli, con spessori compresi tra 0.5 e 1 mm, hanno forma esagonale, per cui, al loro interno, la luce viene scomposta un po’ come avviene quando guardiamo un diamante.

Questa ragionamento, non e’ pero’ sufficiente a spiegare il fenomeno. Se ci pensiamo bene, avendo tanti cristalli esagonali in cielo, ognuno con la sua orientazione, come e’ possibile che venga creata questa forma esattamente circolare? La considerazione e’ corretta, ed infatti quanto detto non e’ ancora sufficiente a spiegare i Sun Dog.

In presenza di cristalli esagonali con orientazione casuale, quello che si forma e’ il fenomeno degli “aloni”, molto meno definiti. Affinche’ si formi un Parhelion e’ necessario che i cristalli siano tutti orientati verticalmente. In questo caso, la luce viene scomposta sullo stesso piano formando appunto queste meravigliose forme di cui abbiamo riportato le foto.

Al contrario di quello che si pensa, i Parhelion non sono cosi’ rari. Affinche’ il fenomeno si formi e’ necessario che, prima di tutto ci siano i cristalli di ghiaccio orientati in modo corretto, ma anche che il Sole sia all’altezza giusta. Geometricamente, quello che si ottiene e’ un angolo di dispersione di 22 gradi rispetto al nostro orizzonte. Ora, molto spesso pero’, questi fenomeni non sono facilmente visibili anche perche’, come vedete dalle foto, per poterli identificare e’ necessario guardare direttamente in direzione del Sole. Detto questo, se il Sole e’ troppo alto in cielo, la sua luce potrebbe arrecare danni alla vista oltre a far diminuire di intensita’ la luce scomposta.

All’inizio dell’articolo, dicevamo che spesso questi fenomeni sono riportati nella storia come presagi divini o segnali del destino. Partendo dai classici greci e latini, le opere sono piene di Parhelion riportati in concomitanza di grandi eventi o di luoghi specifici pregni di significato sociale e religioso. Per darvi qualche esempio, anche Cicerone nel De re publica parla dei Sun Dog ed in particolar modo della discussione nata nel senato romano dopo la comparsa di questi fenomeni. Shakespeare racconta invece nel suo Enrico VI del Parhelion comparso prima di una battaglia nella Guerra delle due Rose.

Concludendo, quello dei Parhelion e’ senza dubbio un fenomeno naturale estremamente affascinante e che, anche se formato in condizioni non rare, molto difficilmente risulta visibile all’occhio umano. Il meccanismo di formazione di questi fenomeni e’ oggi completamente compreso dal punto di vista scientifico ma nel passatto veniva spesso associato con un presagio divino ed importante.

 

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

Misteriosi pilastri di luce?

Piu’ volte, in questo blog, abbiamo parlato di fenomeni apparentemente strani, che molto spesso vengono utilizzati da siti catastrofisti come un chiaro segnale della prossima fine del mondo.

Di argomenti di questo tipo, ne abbiamo ad esempio parlato raccontando dei suoni dell’apocalisse, delle nuvole di forma particolare apparse in qualche angolo del mondo o di strani oggetti visti in prossimita’ del Sole:

– I misteriosi suoni dell’Apocalisse

– Di nuovo i suoni dell’apocalisse

– Una nuvola che fa pensare alla fine del mondo

– Altra strana nube, questa volta in Giappone

– Altra strana nube a Tulsa

– Strano arcobaleno a Conca della Campania

– Scoperta nuova nuvola?

– Missile vicino al Sole?

Tutte, e dico tutte, le volte, analizzando questi fenomeni, ci siamo resi conto che in realta’ non c’era assolutamente nulla di nuovo o di non conosciuto dalla scienza. Semplicemente, vengono presi eventi non standard, cioe’ non proprio manifestabili tutti i giorni, per far credere che qualcosa di strano sia in corso a livello naturale.

In questi ultimi giorni, un presunto nuovo fenomeno naturale sta facendo parlare molti siti catastrofisti che ovviamente vogliono far credere che sia in corso qualcosa di straordinario.

Come forse avrete gia’ letto in qualche sito, ma sicuramente questi articoli verranno rimbalzati nei prossimi giorni su molti forum predisposti al copia/incolla, in diverse parti del mondo si starebbero manifestando i cosiddetti “pilastri di luce”, misteriosi fasci luminosi che appaiono improvvisamente all’orizzonte e che salgono verso il cielo.

Eccovi un esempio delle immagini che trovate in rete in questi giorni:

Foto di pilastri di luce apparsi in diverse parti del mondo

Devo dire che artisticamente, e dal punto di vista fotografico, si tratta di un fenomeno molto suggestivo. E’ necessario premettere che si tratta di foto reali, scattate in diverse parti del mondo, soprattutto nell’ultimo periodo.

Come potete facilmente immaginare, e come premesso, sul web si legge che questi fasci sarebbero una manifestazione esclusivamente degli ultimi giorni e indicherebbero un chiaro segnale alla ormai prossima fine del mondo. Alcuni, devo dire dotati di una buona fantasia, vedrebbero in questi pilastri dei segnali divini o delle strade utilizzabili per l’ascensione verso nuovi mondi o verso civilta’ aliene molto avanzate.

Cosa c’e’ di vero in tutto questo? Purtroppo, solo le foto.

Anche in questo caso, si tratta di un fenomeno molto ben conosciuto dalla scienza e molto spesso anche da fotografi professionisti che a volte si trovano a dover combattere questo effetto. Ovviamente nessun sito catastrofista vi dice di cosa si tratta in realta’, ma trovate solo titoli pomposi e articoli pieni di enfasi. Il tutto sempre condito dalla solita argomentazione che “la scienza non sa di cosa si tratta” e che “i ricercatori stanno cercando di dare una spiegazione a questo misterioso effetto”.

Niente di piu’ falso.

In termini tecnici, questo effetto e’ noto proprio come “pilastro di luce” o anche “colonna di luce”, dall’inglese “light pillar”.

A cosa e’ dovuto?

Come sappiamo bene, in atmosfera possiamo trovare gocce d’acqua. Se la temperatura e’ bassa, alcune di queste gocce possono trasformarsi in cristalli di ghiaccio.

Fin qui tutto bene.

Ora, immaginate di avere una sorgente di luce di fronte a voi bassa in angolo, cioe’ radente al vostro orizzonte. Se i cristalli di ghiaccio sono paralleli al terreno, e’ possibile che a causa della riflessione della luce sul ghiaccio, la sorgente di luce puntiforme appaia allargata formando un fascio esteso. Data l’orientazione dei cristalli, e’ evidente che i fasci di luce cosi’ formati avranno una direzione verticale, cioe’ rivolta verso il cielo.

Per meglio comprendere la causa dei pilastri di luce, possiamo far riferimento a questa immagine:

Meccanismo ottico di formazione dei light pillar

Come vedete, la luce emessa dalla sorgente a terra, viene riflessa sul ghiaccio e l’osservatore, sempre a terra e lontano dalla sorgente, vede in cielo una linea luminosa estesa verso l’alto. Questo e’ esattamente il meccanismo alla base dei “light pillar”.

Ora, perche’ proprio in questi ultimi giorni si stanno riportando testimonianza di pilastri di luce?

La spiegazione e’ molto piu’ semplice di quanto si creda. Come abbiamo visto, per poter formare i pilastri e’ necessario che ci siano molecole d’acqua in atmosfera e che queste vengano ghiacciate. Quale momento migliore di un bel piovoso inizio inverno? Come potete capire, la spiegazione del fenomeno e’ proprio stagionale. Le basse temperature permettono il congelamento dell’acqua in atmosfera creando le condizini adatte per il fenomeno.

A questo punto, facciamo un esercizio semplice. Andiamo a rivedere le foto pubblicate prima e capiamo l’origine dei pilastri. Come vedete subito, in 3 foto su 4, la sorgente della colonna luminosa e’ il Sole basso all’orizzonte. Il tramonto e’ infatti uno dei momenti migliori per poter osservare fenomeni di questo tipo. Quando il Sole e’ basso, intorno agli 8-10 gradi all’orizzonte, si hanno le condizioni ottimali per la formazione dei pilastri. Vista l’alta probabilita’ di questi fenomeni, molto spesso ci si riferisce a questi chiamandoli proprio “sun pillar” per indicare che la sorgente e’ il Sole stesso.

Nella quarta foto invece, i numerosi pilastri visibili, sono dovuti a diverse sorgenti luminose poste dietro all’abitazione in primo piano. Come vedete, la foto e’ stata scattata da una posizione praticamente parallela al terreno e dunque alla stessa altezza delle sorgenti di luce che provocano i pilastri.

Quest’ultimo esempio in particolare, ci dimostra che la formazione dei pilastri di luce puo’ essere provocata indipendentemente sia da sorgenti naturali, come il Sole, che da sorgenti artificiali.

Dunque? Cosa c’e’ di particolare e misterioso in questi fenomeni?

Alla luce di quanto dimostrato, assolutamente nulla. Anche in questo caso, si tratta di fenomeni ben conosciuti dalla scienza e che di certo non hanno fatto la loro apparizione negli ultimi giorni.

Forse, sarebbe il caso che molti siti catastrofisti prima di pubblicare certe notizie, provassero a documentarsi o, come in questo caso, a studiare un po’ di ottica, tra l’altro molto semplice poiche’ basata solo sulla riflessione della luce, fenomeno noto praticamente a tutti.

Come sempre raccomandiamo, non credete ai titoli sensazionalistici che trovate in rete. Molto spesso, la spiegazione di alcuni fenomeni e’ molto piu’ semplice di quanto vorrebbero farvi credere. Come capite bene, un’analisi scientifica e profonda delle profezie del 2012, ci consente di parlare di scienza e di affrontare argomenti molto spesso poco noti e che possono aumentare il nostro bagaglio culturale indipendentemente dal 21 Dicembre. Per partire dall’analisi delle profezie del 2012, ma soprattutto per leggere un libro di divulgazione della scienza, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.