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Charged Lepton Flavour Violation

6 Ott

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.

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Lampioni alieni su Marte

11 Apr

Come visto in diversi articoli, la missione della NASA Curiosity ha assunto un’importanza del tutto particolare e non solo dal punto di vista scientifico. Diversi fattori hanno contribuito a creare la notorieta’ popolare del rover. Prima di tutto, Marte e’ da sempre visto come pianeta che potrebbe ospitare forme di vita. Questo, purtroppo, piu’ che da aspetti biologici e fisici, dipende dai tanti film di fantascienza che da sempre sono stati ambientati sul pianeta rosso. Oltre a questi aspetti, lasciatemi dire, storici, il rover e’ giunto sul pianeta in piena era digitale dove molti dispongono di una connessione internet e, nel modo giusto o sbagliato, cercano di reperire informazioni sulla rete. In tutto questo poi, non dimentichiamo un aspetto fondamentale, le foto scattate da Curiosity vengono messe online praticamente subito e sono di libero accesso a chiunque.

In questo scenario open source, i complottisti e i sostenitori della vita su Marte sguazzano allegramente analizzando minuzionsamente ogni singolo scatto alla ricerca della prova che farebbe ricredere tanti scienziati e dimostrerebbe la presenza di colonie intelligenti sul pianeta rosso.

Praticamente ogni giorno troviamo qualche notizia che parla di strani ritrovamenti osservati in qualche foto in lontananza. Praticamente sempre, queste “osservazioni” si riducono a rocce di forma particolare sulle quali l’elaborazione cerebrale umana costruisce soggetti comuni che vanno da animali, uomini sdraiati, basi aliene, ecc. Come sapete, questo e’ un fenomeno noto e conosciuto come pareidolia.

Perche’ torno su questi argomenti?

Semplice, come forse avrete letto, in questi giorni c’e’ stata una nuova evidenza messa in luce da una foto di Curiosity. A differenza dei casi precedenti, questa volta non abbiamo dischi volanti, ma quella che sembrerebbe una luce proveniente dal sottosuolo.

Senza troppi giri di parole, vi mostro subito l’immagine:

La foto scattata da Curiosity con la strana anomalia

La foto scattata da Curiosity con la strana anomalia

Come vedete, in lontananza si vede quello che sembrerebbe un raggio di luce proveniente dal terreno. Questa foto e’ stata evidenziata e resa celebre proprio da un sito di sostenitori degli ufo. La spiegazione? Ovviamente, non sembra una luce, e’ una luce. Una luce su Marte? Certo, si tratta di un’evidenza che Marte sia un pianeta abitato. A causa pero’ delle avverse condizioni sulla superficie, gli abitanti del pianeta rosso vivono in comunita’ sotterranee. La luce che abbiamo osservato altro non e’ che uno dei punti di accesso al sottosuolo.

E’ verosimile questa ipotesi?

Se proprio devo dire la mia, cosi’ su due piedi, permettetemi di essere abbastanza scettico.

Cerchiamo di andare con ordine e di approcciarci a questo problema in modo razionale e senza lasciarci trasportare da “quello che vogliamo vedere”.

Per prima cosa, ogni foto che viene scattata da Curiosity e’ ottenuta sovrapponendo due immagini prese nello stesso istante, la prima da una fotocamera posizionata sul lato destro, la seconda sul lato sinistro. Perche’ questo? Semplice, questo semplice trucco e’ utilizzato per dare maggior definizione e piu’ profondita’ alle immagini, un po’ come fanno i nostri occhi che forniscono due immagini contemporaneamente al cervello. Per la foto incriminata, la presenza del misterioso oggetto e’ presente solo in una delle due immagini e precisamente in quella di destra, mentre in quella di sinistra non e’ presente nessuna anomalia. Sul sito della NASA sono disponibili anche le due immagini separate e che vi riporto qui:

Singole foto scattate con le due camere sui lati opposti

Singole foto scattate con le due camere sui lati opposti

Detto questo, almeno a mio avviso, credo si possa escludere una luce artificiale proveniente dal terreno. Dal mio punto di vista, se ci fosse qualcosa di artificiale in quel punto, questo sarebbe visibile sempre indipendentemente dalla posizione della fotocamera e, soprattutto, dal lato del rover da cui l’immagine viene presa.

Allora cosa potrebbe essere questa anomalia?

La prima spiegazione che verrebbe in mente e’ quella di un’anomalia al sensore della camera. Attenzione pero’, se fosse un guasto relativo ad alcuni pixel della ccd, in questo caso dovremmo vedere dei disturbi in tutte le foto scattate dalla stessa camera, cosa che non avviene nelle foto catturate in seguito. Non e’ pero’ necessario pensare ad una rottura strutturale della camera, quanto ad una anomalia temporanea del sensore.

Cosa potrebbe provocare un’anomalia temporanea?

Come sostenuto anche da alcuni tecnici della NASA, l’improvviso bagliore in un punto preciso potrebbe essere dipeso da un rilascio energetico in quel punto a causa di un evento sporadico e non sistematico. Tradotto? Il passaggio di un raggio cosmico particolarmente, ma neache troppo, energetico sul sensore della camera. Come sapete, anche noi sulla Terra siamo costantemente bombardati da particelle provenienti dalla Galassia e principalmente dal Sole. Nel caso specifico della Terra abbiamo quello che si chiama sciame secondario provocato dalle particelle, queste di sciame primario, che arrivano nella parte alta dell’atmosfera dallo spazio. La presenza di queste particelle, ripeto conosciute e studiate da tantissimi anni, rappresentano un fattore da monitorare anche nei viaggi nel cosmo e per gli astronauti sulla Stazione Spaziale. In questo caso infatti, la dose di particelle deve essere controllata per evitare livelli troppo elevati di radiazione.

Su Marte arrivano ovviamente raggi cosmici provenienti in larga parte dal Sole. Bene, quella piccola traccia presente nello scatto della camera potrebbe proprio essere il segno lasciato dal passaggio di un raggio cosmico. Questo non solo spiegherebbe la presenza dell’anomalia ma sarebbe compatibile con quanto osservato. Il passaggio della particella lascia il segno nel momento dello scatto ma non danneggia irreparabilmente la CCD. Dunque, negli scatti successivi non si osserva piu’ nessuna anomalia. Inoltre, il passaggio in un punto preciso spiegherebbe anche perche’ l’anomalia e’ presente in una solo fotocamera mentre l’altra immmagine ne e’ sprovvista.

A mio avviso, questa spiegazione e’ la piu’ plausibile e concorda in pieno con quanto osservato.

Altre spiegazioni razionali che sono state date sono relative alla presenza di particolari riflessi della luce solare. In particolare, due le ipotesi piu’ accreditate in questo caso: roccia o dust devil.

Per la roccia, e’ possibile immaginare la presenza di una roccia molto riflettente nel punto in cui si vede l’anomalia. In questo caso, la poca distanza, ma comunque il lato opposto, delle camere sul rover farebbe si che la luce riflessa possa essere osservata da un lato e non dall’altro. Personalmente, pensando ad una roccia molto riflettente in un punto preciso di Marte, la cosa mi sembrerebbe un po’ strana.

L’altra ipotesi richiamata e’ quella del dust devil. Di questo argomento abbiamo gia’ parlato in due post specifici:

Tornando di Fuoco in Australia

Marte: pietra che rotola o misterioso Yeti?

Come visto, i dust devil sono dei piccoli tornado di sabbia che si formano in condizioni particolari e che sono stati ripresi anche sulla superifice di Marte. In particolare, questa animazione ci mostra proprio uno di questi vortici ripreso sul pianeta rosso:

Dust devil ripreso sulla superficie di Marte

Dust devil ripreso sulla superficie di Marte

Cosi, come nel caso della roccia, l’anomalia sarebbe dovuta alla riflessione della luce proveniente dal sole sul tornado. Riflessione visibile solo da un lato perche’ il secondo sensore e’ in posizione piu’ sfavorevole o coperto dal rover stesso. Anche qui, se devo pensare ad una camera che vede un riflesso mentre l’altra no, diciamo che la spiegazione mi sembra un po’ forzata.

Concludendo, almeno dal mio punto di vista, mi sentirei di escludere da subito che l’anomalia osservata su Marte da Curiosity sia prodotta da un faro alieno posto sotto la superficie. La spiegazione piu’ logica, alla luce, e’ proprio il caso di dirlo, di quanto osservato, e’ che la piccola traccia sia prodotta dal passaggio di un raggio cosmico nel sensore di una delle due telecamere proprio nel momento dello scatto. Se pensiamo all’energia in gioco e alla frequenza del passaggio di queste particelle, la cosa non e’ assolutamente sorprendente. Come dichiarato anche da altre fonti interne alla NASA, molte volte vengono registrate immagini da Marte con puntini o zone piu’ luminose dovute al passaggio di particelle. Detto questo, almeno in attesa di una spiegazione conclusiva anche da parte della NASA stessa, io mi sento di votare per il raggio cosmico.

 

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