La particella che non c'era

Se siete dei frequentatori abituali di questo blog, dovreste ormai aver imparato come fanno i fisici delle particelle a cercarne di nuove. Le nuove particelle di cui andiamo a caccia sono particelle instabili, ovvero, se esistono e vengono prodotte nelle collisioni tra due protoni generate da LHC nel cuore dei nostri rivelatori, muoiono subito disintegrandosi in altre particelle, generalmente stabili e note. È la ragione per cui, per esempio, ATLAS o CMS non sono equipaggiati di un "rivelatore per bosoni di Higgs": il bosone di Higgs, che oggi sappiamo esistere ed avere una massa circa 125 volte maggiore di quella del protone, se viene prodotto nel cuore dei rivelatori decade in vari modi possibili, per esempio in due fotoni. La traccia del suo passaggio è dunque, ad esempio, la presenza di due fotoni nel rivelatore, le cui energie e posizioni siano compatibili col provenire dalla disintegrazione di un bosone di Higgs. Dalle energie e posizioni dei due fotoni posso calcolare quale sarebbe la massa della particella "madre" da cui questi provengono, e mi aspetto che, a meno degli errori sperimentali che posso aver fatto nel misurare quelle quantità, questa corrisponda proprio alla massa del bosone di Higgs.

Se la disintegrazione di un bosone di Higgs fosse l'unico modo che ha Natura ha a disposizione per produrre due fotoni nella collisione tra due protoni, per scoprirlo sarebbe bastato raccogliere tutti gli eventi con due fotoni, e il gioco sarebbe stato fatto. Purtroppo la Natura ha diversi altri modi per generare due fotoni, modi che rappresentano un "rumore di fondo" che tende a oscurare la presenza della nuova particelle. Per questo, e perché la natura segue delle leggi statistiche, prima di poter affermare di aver osservato un fenomeno nuovo è necessario attendere. Se siete interessati a capire più nel dettaglio perché e casa sia necessario dare, a suo tempo avevo scritto una serie di articoli su questo argomento.

Se esiste una nuova particella che si disintegra in due fotoni, la qua presenza si manifesterà come un accumulo di eventi a una massa ben definita, una montagnola che dovrebbe prima o poi spuntare sopra il rumore di fondo, le cui coppie di fotoni, invece, non preferiscono una massa particolare, siccome non provengono dalla disintegrazione di una particelle. Nel caso del bosone di Higgs di cui abbiamo parlato, ecco il grafico in questione, con tutti i dati raccolti tra il 2011 e il 2012.

HiggsGammaGamma_7_8_TeV

Lasciamo adesso il bosone di Higgs, la cui scoperta è avvenuta nel 2012 e la cui esistenza è abbondantemente provata, e veniamo alla questione che negli ultimi mesi ha patto parecchio rumore. Il bosone di Higgs non è l'unica particella che può disintegrarsi in due fotoni: certe teorie prevedono per esempio l'esistenza di più di un bosone di Higgs, e un collega più pesante potrebbe disintegrarsi anch'esso in due fotoni. Altre teorie legate alla struttura della forza di gravità prevedono una particella chiamata gravitone, che potrebbe anch'esso manifestarsi disintegrandosi in due fotoni. È la ragione per la quale, dopo la scoperta del bosone di Higgs nel 2012, la ricerca che usa le coppie di fotoni come possible traccia di un nuovo fenomeno è continuata.

A fine dicembre 2015, dopo aver guardato nei primi dati raccolti a 13 TeV di energia nel centro di massa, ATLAS e CMS avevano annunciato di aver visto un eccesso di eventi con due fotoni, corrispondente a una massa della possibile particella da cui queste coppie sarebbero venute di 750 la massa del protone. Ne avevo scritto a suo tempo, vi lascio andare a rileggere.

ATLAS_CMS_difotoni_2015

Avevamo scoperto una nuova particelle? Era troppo presto per dirlo, proprio perché le possibilità che si trattasse invece di una fluttuazione statistica del rumore di fondo non erano ancora trascurabile. Come dicevamo chiaramente all'epoca, soltanto con più dati ci saremmo potuti pronunciare con sicurezza, dati che sarebbero arrivati nella primavera del 2016. Questo non ha impedito a un nutrito gruppo di fisici teorici di speculare, a volte anche in modo piuttosto azzardato, su che fosse questa nuova particella. Fino a qualche giorno fa, il numero degli articoli che tentavano di spiegare il presunto nuovo fenomeno (e insisto sul presunto, perché dal lato sperimentale la cautela è sempre stata molto grande e chiara) era prossimo a 500!

Articoli_teorici_difotoni_Agosto2016

A inizio agosto a Chicago si è tenuta una delle più importanti conferenze di fisica delle particelle dell'anno, ICHEP. I risultati di ATLAS e CMS erano molto attesi, perché ci si attendeva una conferma o una smentita dell'esistenza di un nuova particelle, che avrebbe potenzialmente rivoluzionato la fisica. Peccato però che nei nuovi dati raccolti nella primavera e inizio estate di quest'anno non ci sia traccia di nessuna nuova particelle. Sia ATLAS che CMS, guardando gli eventi con due fotoni, vedono uno spettro piatto con qualche piccola fluttuazione attesa. In corrispondenza di 750 GeV, dove nei dati del 2015 si accumulava la montagnosa che aveva fatto sognare molti, non c'era nulla che confermasse l'eccesso.

ATLAS_CMS_difotoni_2016

Lo sconcerto e la delusione sono stati grandi, specie per chi tra i colleghi teorici già dava per acquisita la scoperta. Qualche teorico amante del dramma si è spinto a dire che si tratta della fine della fisica delle particelle, che mi sembra chiaramente un'esagerazione! Dal canto mio, però sarebbe disonesto negare una certa delusione. Come sapete, sono stato molto coinvolto in questa analisi, e, nonostante sia io che i miei più stretti collaboratori cercassimo di mantenere una fredda distanza, senza lasciarci andare a speranze infondate, nei nostri cuori abbiamo tutti più o meno sperato di avere in mano la scoperta del secolo. Peccato.

Da aprile il secondo canale delle BBC ha seguito, dall'interno e discretamente, le operazioni quotidiane di ricerca della conferma di questa possibile conferma. Tra gli altri, mi sono stati dietro con una telecamera, riprendendo le miei occhiaie, il mio entusiasmo, e anche la mia delusione. Ne è venuto fuori un documentario intitolato "Inside CERN", che, per una volta, racconta quella parte della scienza che troppo spesso resta fuori dalla divulgazione: la ricerca che smentisce soltanto ma non scopre nulla, il risultato negativo che richiede altrettanta fatica, rigore e dedizione che quello positivo. Il documentario è visibile sul sito della BBC, ma temo dobbiate avere un indirizzo IP localizzato in Gran Bretagna. Altrimenti cercatelo come "BBC Horizon Inside CERN" in giro per la rete: fino a qualche tempo fa ne girava una copia su Youtube, e probabilmente anche su altri canali. Dura un'oretta, e non è affatto male. Ve ne appiccico una breve sequenza qui sotto: abbiamo appena guardato i dati nuovi, e scoperto che la potenziale scoperta non è confermata. Nel video non siamo molto allegri, ma che volete farci? La scienza è anche - e soprattutto - questo.

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Sometimes I wonder

Sometimes I wonder what would have happened if I had written this blog in English since its humble beginnings. Not that I really considered that at the time, I was really just writing some sort of diary for family and friends. But then came the LHC startup, and the superluminal neutrinos, and the Higgs discovery, and... I have to admit that ver the years I played with the idea more than once. I know from the blog access statistics that sometime some reader lands here from a Google Translate page, so there has always been some potential for an international readership. Who knows? (and, by the way, Google Translate has become really good!).

Sometimes I wonder what would have happened if I had written this blog in English. Or in broken English. Or in whatever form of English I have some command on, that is not necessarily a very good one. This blog is not new to systematic typos, whatever the language. But anyway.

Sometimes I wonder, because this blog has just turned ten years old, and ten years are quite a lot, and I'm asking myself again what to do with it, what kind of experiment I could run in this space, what projects I could nurture, if any.

Ou j'aurais pu l'écrire en Français depuis le debut, si seulement je en avais été capable. Mais il y a probablement trop d'accents en Français pour un blog. Par ailleurs, comment dit-on "blog" en Français? Blogue? Carnet électronique sur la toile? Bof.

Sometimes I wonder (random shot from our Pantelleria vacation 2016, me looking South)

Sometimes I wonder (random shot from our Pantelleria vacation this Summer, with me looking South from the Nika seafront)

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L'isola che non c'era ed ora c'è

A inizio agosto abbiamo passato due settimane a Pantelleria, sotto la Sicilia, più vicina all'Africa che all'Italia. Tra gli scogli e il maestrale abbiamo dormito, nuotato e camminato, io ho fatto qualche foto, e letto molto. Tra i tanti libri, ho sorseggiato con piacere "Pantelleria. L'ultima isola", di Giosuè Calaciura, pubblicato da Laterza nella primavera del 2016, perfetto compagno di questo naufragio estivo. Ne ritaglio qualche pezzo qui, insieme a qualche tentativo di collage panoramico dei miei scatti. Le versioni ad alta definizione sono su Flickr.

Discesa al mare di Suvaki

Discesa al mare di Suvaki

L’isola è una scrittura, agitata di inchiostro magmatico raggelato in pantelleriti e cossiriti, chimica minerale del vulcano che è anche un prontuario di geologia universitaria. È una calligrafia nervosa di liquidi e di venti, svolazzi di amanuensi nei riccioli aguzzi di lava, smorfie cementate per sempre in un brivido di vapore al contatto del mare, bestiario di animali e incubi di pietra che hanno fatto la guardia per tutto il perimetro dell’isola mostrando bocche spalancate e denti aguzzi, neri, taglienti di ossidiana.

Punta Karusha spazzata dal Maestrale (Irene e Giulia nell'angolino destro raccolgono ossidiana e pomice, o forse solo pietra lavica)

Punta Karusha spazzata dal Maestrale (Irene e Giulia nell'angolino destro raccolgono ossidiana e pomice, o forse solo pietra lavica)

Qui non ci sono spiagge. Il mare tra l’isola madre e Pantelleria con mezze parole, sicilianamente, fa intuire che è capace di furie oceaniche perché sta a guardia di due continenti e ha consumato e consuma avventure dello stesso respiro.

Ballate dei Turchi

Balata dei Turchi

Pantelleria è defilata nella rotta maestra dei migranti che partono dalle spiagge della Libia. Lampedusa è l’approdo. Ma anche a Pantelleria ne arrivano, piccole barche col motore ausiliario, esterno, di poppa. Piccolo cabotaggio per brevi traversate. Arrivano dalla Tunisia e vengono rimpatriati. E ci riprovano, due, tre volte: fortissimo desiderio d’Europa che non sa consolare gli afflitti.

Panorama dal Bagno Asciutto, guardando verso sud-ovest

Panorama dal Bagno Asciutto, guardando verso sud-ovest

Ogni chilo di Zibibbo (...) è lavoro durissimo, manuale e intellettuale, (...) è fatica sudata, battaglia non sempre vinta contro la Natura ostile e pazza di questo sputo di lava e di ossidiana nel cuore del Mediterraneo in vista dei deserti d’Africa, nemica dei contadini e delle pratiche agricole che hanno trovato soluzioni complesse, a volte geniali, contro i venti e la siccità endemica come una malattia, una tara, che pietra su pietra hanno strappato terra al vulcano per farne orti, garche ordinate di filari, e nello stesso tempo muri a secco, dammusi, “giardini” d’agrumi.

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Higgs-dependence Day

Sono le cinque del mattino del 4 luglio 2012.

Mi sono svegliato molto più presto del solito, oggi è un giorno speciale. Se non arrivo abbastanza presto al laboratorio, sono certo che non riuscirò ad entrare nell’auditorium dove si terrà la conferenza. È prevista per le undici del mattino, ma le porte apriranno alle sette. Da quello che ho sentito, molti studenti hanno pianificato di dormire con i sacchi a pelo davanti all’ingresso, per essere certi di trovare un posto a sedere. Conoscendoli, penso che sia vero: un’occasione del genere non si perde.

Le due caffettiere sono pronte. Una la bevo, il contenuto dell’altra finisce nel thermos: meglio essere ben svegli quando inizierà la conferenza. (...)

Oggi il bosone di Higgs compie quattro anni. Il mio racconto del 4 luglio 2012 è finito in Particelle Familiari, all'inizio del sesto capitolo, "La scoperta di un bosone". Ma questo voi lo sapete di sicuro, chi di voi non ha letto il libretto che ho scritto per raccontare il mestiere che faccio?

Se per caso non aveste letto Particelle Familiari, ho pensato di regalarvene un pezzetto. Quattro pagine, proprio quelle che iniziano il capitolo che racconta la scoperta del bosone di Higgs: le potete scaricare qui. E se la storia dovesse piacervi, non è mai troppo tardi per regalarvi (o regalare) il libro, che è persino uscito in versione economica!

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Buon compleanno bosone di Higgs!

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Quattro anni fa quello stesso giorno, in un gremitissimo Auditorium del CERN, ATLAS e CMS annunciavano al mondo la scoperta di una nuova particella, che già allora assomigliava parecchio al bosone di Higgs. Negli anni che sono seguiti abbiamo imparato a fare amicizia con questo nuovo oggetto, ne abbiamo misurato le proprietà cone sempre maggiore precisione, e siamo arrivato a convincerci che, se non il bosone di Higgs (nel senso dell'unico bosone previsto dall'incarnazione più semplice del campo di Higgs che uno può immaginare per il Modello Standard), questo oggetto è sicuramente un bosone di Higgs.

Quattro anni sono una vita, e tra allora e oggi sono successe tante cose, sul lavoro, a casa, sulle pagine di questo sito. Erano tempi in cui scrivevo molto di più su Borborigmi: certo, il 4 luglio 2012 è stata una giornata particolare e irripetibile, ma pensate che allora avevo scritto ben 6 articoli in un giorno, tra la sera prima e la fine dell'evento. Se non eravate ancora assidui frequentatori di Borborigmi, magari potrebbe interessarvi andare a rileggervi, per rivivere a distanza l'eccitazione di quelle ore. Eccoli qui:

Nelle settimane e mesi dopo l'annuncio ne sono poi seguiti molti altri, vi lasco andare a scavare da soli nelle viscere le blog.

Oggi al ristorante del CERN si celebra il compleanno del bosone di Higgs in un modo particolare. Seguendo un'iniziativa nata in una pizzeria di Napoli dalle chiacchiere tra un fisico italiano, Pierluigi Paolucci, e il presidente dell'INFN Fernando Ferroni, verranno realizzate della pizze ispirate alla scoperta del bosone di Higgs. In effetti. la simmetria circolare della pizza e dei suoi ingredienti ricorda un event display delle collisioni nei rivelatori di LHC. Ecco allora che una pizza al salamino rappresenterà un evento dove un candidato bosone di Higgs decade in due fotoni, mentre quella vegetariana mostrerà il possibile decadimento in due bosoni Z, che si disintegrano a loro volta un una coppia muone-antimuone ciascuno. Vi allego le ricette, un paio di foto dal gruppo Facebook dell'evento, e gli event display che rappresenterebbero. Peccato solo per gli asparagi: capisco la necessità si rappresentare i fasci di protoni, ma poco centrano con la simmetria circolare dei rivelatori (i fasci arrivano perpendicolari alla pizza!), e poi, a chi piace la pizza agli asparagi?

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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