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Pensi come un fisico delle particelle? 27 febbraio 2009

Inviato da Marco in : Fisica, Scienza e dintorni 6 commenti

Pausa caffè di un venerdì pigro? Potreste sempre scialacquare cinque o sei minuti a fare un test per scoprire se la vostra forma mentis si avvicina a quella – più o meno contorta – di un fisico delle particelle.

A cura di Tommaso Dorigo, il questionario si articola in due parti, è in inglese (ma questo non dovrebbe spaventare nessuno che sia convinto di pensare come un fisico delle particelle: quelli mangiano, dormono e sognano in broken english); e, nemmeno tanto nascosto, contiene un simpatico spaccato antropologico dello sperimentale medio.

Buttatevi: l’analisi dei risultati in un paio di giorni, sempre sul blog di Tommaso. Manco a dirlo, non vale copiare le mie risposte!

Aggiornamento. Tommaso ha pubblicato il sistema di analisi delle risposte, che è probabilmente un po’ involuto; se poi come il sottoscritto non avete preso il gioco sufficientemente sul serio ed avete dato più risposte alla stessa domanda, beh, allora le cose si complicano ulteriormente.

In ogni caso, il mio profilo è dominato da “Fisico delle particelle” (cosa che sono, a che mi risulta :-) ), e da “Dilettante” in misura simile (vietatissimo ridere!). Tecnicamente, mi ha fregato la domanda sui raggi cosmici (sui quali ammetto senza remore una discreta ignoranza), e potrei mettermi a discutere sul decadimento del bosone di Higgs in due fotoni (ma si andrebbe sul tecnico: il quiz considera un errore la risposta che comprende il loop di W, ma – ooops – in effetti il loop di W contribuisce in modo sensibile all’ampiezza di decadimento. Apparentemente l’autore voleva scrivere “loop di Z” e si è sbagliato).

Ma a parte queste due, rivedendo le domande ho avuto l’impressione che Tommaso consideri un Dilettante qualcuno naive-troppo-onesto-non-furbo-a-sufficienza-per-sopravvivere, mentre un Vero Fisico Delle Particelle ha un folto pelo sullo stomaco coltivato in anni di esperienza, e nulla e nessuno può fregarlo o coglierlo alle spalle. Mmm, temo che possa avere ragione, in effetti la fisica delle alte energie è un mare popolato da parecchi squali; e in questo senso probabilmente io sono realmente un Fisico Delle Particelle Dilettante :-) . Vedremo se riuscirò a sopravvivere…

Più è luminoso, più saranno gli eventi (interessanti) 25 febbraio 2009

Inviato da Marco in : Fisica, Formulette 11 commenti

Supponiamo siate un fisico delle particelle, un fisico sperimentale, per essere precisi. Supponiamo che lavoriate a un esperimento che sta seduto su un acceleratore; un collisore, per essere precisi, come Tevatron, o LHC. Supponiamo siate interessati alla ricerca di una qualche particella esotica, uno dei mattoncini mancanti della vostra teoria preferita; il bosone di Higgs del Modello Standard, tanto per fare un esempio a caso. Come fate a sapere quante di queste particelle esotiche di cui siete alla ricerca – se esistono – vengono prodotte nelle collisioni gentilmente offerte dal vostro acceleratore?

Per rispondere a questa domanda vi servono fondamentalmente quattro ingredienti: una stima decente di quella che si chiama la luminosità del collisore; un amico teorico che vi aiuti a calcolare la sezione d’urto di produzione della particella che state avidamente cercando, per le energie tipiche delle vostre collisioni; una certa abilità a fare equivalenze e  moltiplicazioni in notazione esponenziale; e questa semplice formuletta:

\mathscr{N}_{X} = \mathscr{L} \cdot \sigma_{X}

Formuletta che, tradotta dal matematico al fisichese, recita: il numero \mathscr{N}_{X} di particelle X prodotte nell’unità di tempo (ovvero per secondo) al mio collisore di fiducia è pari alla luminosità istantanea \mathscr{L} del suddetto collisore, moltiplicata per la sezione d’urto di produzione \sigma_{X} della particella X, calcolata per l’energia nel centro di massa delle collisioni in questione. Vediamo di spiegare che cosa sono i due ingredienti della formula.

Luminosità

La luminosità istantanea \mathscr{L} mi dice quante particelle il mio acceleratore fa passare per il centro del mio rivelatore per unità di tempo. Tradizionalmente la luminosità istantanea si misura in {\rm cm}^{-2} {\rm s}^{-1}: si tratta dunque della misura del numero di particelle che attraversano un’unità di area (un centimetro quadrato) in un secondo. Se voglio sapere quante particelle sono passate in un certo lasso di tempo dovrò calcolare la luminosità integrata L: supponendo che la luminosità istantanea sia constante, basterà che moltiplichi quest’ultima per l’intervallo di tempo in questione, per ottenere qualcosa che avrà la dimensione di un numero per unità di area ({\rm cm}^{-2}). Esempio: se e quando LHC raggiungerà la sua “alta” luminosità nominale (\mathscr{L}=10^{34} {\rm cm}^{-2} {\rm s}^{-1}), in un giorno di attività (24 h \times 60 m/h \times 60 s/m = 86400 s) accumulerà una luminosità integrata:

L = 10^{34}\,{\rm cm}^{-2} {\rm s}^{-1} \cdot 86400\,{\rm s} \simeq 10^{39}\,{\rm cm}^{-2}

Siccome a noi fisici piacciono le unità di misura bizzarre, ne usiamo una speciale per le unità di area con cui abbiamo a che fare, il barn:

1 {\rm b} = 10^{-24} \,{\rm cm}^{2}

La storia del nome barn, che in inglese vuol dire granario (o magazzino), sarebbe interessante da raccontare, ma tralasciamo. La luminosità integrata in un giorno di LHC che lavori senza pause ad “alta luminosità” sarebbe dunque:

L \simeq \frac{1}{10^{-39}\,{\rm cm}^{-2}} = \frac{1}{ 10^{-15} {\rm b}} = \frac{1}{1 {\rm fb}} = 1 {\rm fb}^{-1}

ovvero “1 femtobarn inverso”. Può darsi che adesso le informazioni dei giorni scorsi inizino a sembrarvi più chiare, chissà. Per chi a questo punto si fosse perso nelle conversioni, consiglio un passaggio da queste parti prima di proseguire.

Sezione d’urto

Qui entriamo in territorio spinoso. Iniziamo dalle unità di misura: la sezione d’urto \sigma è qualche cosa che ha la dimensione di un’area, e che dunque potremmo misurare in {\rm cm}^{2}, ma che normalmente, visto che si tratta sempre di aree molto piccole, misuriamo in (frazioni di) barn. Cercando di dirla in parole semplici, la sezione d’urto esprime la probabilità che un certo tipo di processo abbia luogo. Perché dunque un’area? Prendiamo il caso di un evento “semplice”: prima ancora di parlare di produzione di particelle, esaminiamo la generica “collisione” di due protoni. Se tentate (come cercheremo di fare a LHC) di far sbattere l’uno contro l’altro due protoni, e se immaginate che i due protoni siano due sferette, è facile intuire che la collisione avrà luogo solo se l’asse del moto del primo sarà compreso in un’area parti a una circonferenza di raggio doppio del raggio del protone, centrata intorno al secondo protone:

sezione_urto

Per capire lo schema: i dischi marroni sono i protoni; quelli con le crocette gialle viaggiano verso l’interno delle schermo, quello senza crocette viene dallo schermo verso di voi. Nella realtà le cose sono ben più complicate (e i protoni non sono affatto sferette!), ma l’esempio serve a dare un’idea, e i numeri che ne escono sono ragionevoli:

R_p \simeq 10^{-15} {\rm m}

\sigma_{pp} \simeq \pi (2R_p)^2 \sim 0.1 {\rm b}

Quest’area rappresenta (una ragionevole approssimazione del-) la sezione d’urto totale di interazione protone-protone a LHC. Questa è la quantità che dovete confrontare con la misura del flusso di particelle per unità di area nel tempo (la luminosità integrata) per sapere quante interazioni protone-protone avranno luogo. Tornando all’esempio di prima, in un giorno di LHC ad alta luminosità a 14 TeV ci saranno dunque N_{pp} interazioni:

N_{pp} = L \times \sigma_{pp} \simeq 1 {\rm fb}^{-1} \times 0.1 {\rm b} = 10^{14}

Naturalmente non tutte queste interazioni sono interessanti, nel senso che non in tutte le collisioni viene scambiata sufficiente energia – la maggior parte sono collisioni “periferiche”, in cui i due protoni si sfiorano appena – perché avvengano quei fenomeni interessanti da osservare, come la produzione della vostra particella esotica preferita. Questa è la ragione per cui ci servono acceleratori così luminosi: è l’unico modo per poter (tentare di) osservare fenomeni rari.

Per fare calcoli per questi fenomeni rari dobbiamo munirci di sezioni d’urto specifiche, che misurino per esempio la probabilità che la particella che ci interessa venga prodotta nelle interazioni generate dal nostro collisore. Queste sezioni d’urto, come la sezione d’urto di interazione totale, continuano ad essere misurate in unità di area, ma hanno ovviamente valori molto più piccoli. Come si calcolano? Non provate nemmeno a chiedermelo: è per questo che vi serve l’amico teorico!

Ecco invece un numerello per darvi un’idea: per un’energia nel centro di massa di 14 TeV la sezione d’urto di produzione del bosone Z vale circa 10^{5} {\rm pb}. Fatevi il conto di quanti ne verranno prodotti in un giorno di LHC ad alta luminosità, e confrontatelo con quante interazioni “generiche” avvengono. Oppure confrontate direttamente le sezioni d’urto.

Compito a casa

Se crediamo alle previsioni del CERN, LHC partirà a fine anno, funzionerà per quasi tutto il 2010 (senza sosta e senza problemi), e fornirà come promesso agli esperimenti una luminosità integrata di circa 200\,{\rm pb}^{-1} a 10 TeV di energia nel centro di massa. Sapendo che la sezione d’urto (teorica) di produzione di un bosone di Higgs del Modello Standard in collisioni protone-protone a 10 TeV è \sigma_{H} \sim 10\,{\rm pb} (il valore cambia un po’ in funzione della massa dell’Higgs, e soprattutto cambia in funzione del meccanismo di produzione, ma la stima che vi do per il meccanismo dominante rimane ragionevole per quello che ci serve), quanti bosoni di Higgs (se esistono, e se i calcoli dell’amico teorico sono corretti) verranno prodotti nel corso di tutto il run del 2009-2010? Sono tanti? Sono pochi?

Con la risposta in tasca, prima o poi vedremo di trovare il tempo di discutere del  perché Tevatron possa restare competitivo ancora un po’ nella ricerca dell’Higgs, e soprattutto del perchè pure con un numero apparentemente dignitoso di esemplari prodotti sia comunque difficile scoprire una nuova particella. Perché (indizio!) produrre una particella non significa affatto riuscire a vederla. Buoni calcoli.

Caro bosone di Higgs… 18 febbraio 2009

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC, Nuvole parlanti 8 commenti

dear_higgs_boson

In attesa di avere più tempo (e più voglia) di parlare di luminosità degli acceleratori, e del perchè Tevatron potrebbe rimanere competitivo nella caccia al bosone di Higgs ancora a lungo dopo l’accensione di LHC, beccatevi questa chicca di Abstruse Goose a guisa di compensazione.

P.S. Non leggete regolamente Abstruse Goose? E magari nemmeno Xkcd? Nessuno è perfetto.

Richie Cunningham al CERN! 13 febbraio 2009

Inviato da Marco in : CERN, Letture e scritture, Scienza e dintorni 63 commenti

angels_and_daemons_at_cernOk, il titolo avrebbe dovuto essere “Tom Hanks al CERN“. Ma che cosa volete che mi importi della presenza ieri al CERN di Tom e della gnocca di turno che lo affianca nel film che sono venuti a promuovere, se il regista del film in questione che li accompagna è Ron Howard? Capite? Richie Cunningham di Happy Days invecchiato, con persino in testa un cappellino del CERN per nascondere la pelata! Confesso che per un momento ho sperato apparisse anche Fonzie. Il trio era da queste parti per promuovere la versione cinematografica di Angeli e demoni, una delle svariate vaccate scritte da Dan Brown, che guarda caso è ambientata al CERN.

Non lo avete letto? Beati voi. Io l’ho fatto a suo tempo per obbligo morale. Ve lo riassumo in qualche riga: al CERN lavorano ex-sacerdoti convertiti alla fisica delle particelle, e il direttore generale gira in sedia a rotelle elettrica, ha un ufficio con la cupola di vetro e un jet speciale per andare da qui a New York in tre ore. L’attività principale del laboratorio consiste nel produrre bottigliette di antimateria esplosiva, che cosi possono essere rubate per uccidere – mmm, vediamo un po’, che cosa potremmo mettere nella trama per cavalcare una moda che paga? Ah! Certo! – il Papa. Ma tranquilli, tra Ginevra e Roma arriva Robert Longdon con la gnocca di turno e risolve tutto. Nel frattempo Charpak continua a giocare a frisbee nel prato davanti alla mensa del CERN.

Giusto per darvi un’idea di come le psicosi generate da Dan Brown possano fare danni, mi diceva qualche tempo fa il coordinatore delle guide del CERN che, dalla pubblicazione di Angeli e Demoni, gli accessi al sito del CERN per il grande pubblico sono cresciuti di un ordine di grandezza. E il servizio di comunicazione ha persino dovuto preparare una paginetta rassicurante per chiarire che cosa è realtà e cosa invece è finzione. Mah.

In ogni caso, nei mesi scorsi durante le riprese le star mica si sono viste! Gli schiavi sono venuti a girare una po’ di esterni e qualche panoramica di ATLAS, e l’attore che impersona l’ex-sacerdote-convertito-alla-fisica ha passato un giorno a due con qualche fisico locale per farsi un’idea di come passiamo le giornate da queste parti. Ma la gnocca di turno non sentiva la necessità di fare un giretto?

Il lungo inverno di LHC 10 febbraio 2009

Inviato da Marco in : Fisica, LHC 15 commenti

Magari qualcuno se lo ricorda: a inizio dicembre avevo sospeso i comunicati riguardo allo stato di LHC in attesa dell’annuale “meeting di Chamonix”, incontro in cui gli uomini della macchina e i colonnelli degli esperimenti si sarebbero trovati a discutere i dettagli della situazione dell’acceleratore, e a fare il piano per il futuro. Bene, il fantomatico meeting ha finalmente avuto luogo, proprio la settimana scorsa; e – altrettanto finalmente – abbiamo il nuovo programma ufficiale per le operazioni di LHC nei prossimi mesi.

Andiamo con ordine. Tutti gli amanti dei dettagli, gli smanettoni desiderosi di sapere come stanno andando le riparazioni, i pignoli che ancora non sono soddisfatti delle spiegazioni dell’incidente di Settembre, e quelli che invece vorrebbero sapere se e come stiamo prevenendo nuovi disastri, troveranno pane per i loro denti nelle dettagliate presentazioni del workshop. Prima che me lo chiediate: si, tutto quello che trovate su quella pagina è pubblico. Il nuovo Direttore Generale del CERN sta optando per una politica di trasparenza piuttosto spinta che gli fa onore.

Per quelli a cui invece basta una sintesi, ecco in due parole il riassunto della dibattito e la decisione finale. La discussione era di fatto polarizzata attorno a due possibili opzioni: da una parte, LHC ancora fermo per tutto il 2009 per consentire di riscaldarne a temperatura ambiente tutti i settori, e installare dappertutto la totalità delle valvole di sfogo dell’elio; dall’altra, l’opzione in cui la totalità delle valvole verrebbe installata nei 4 settori che sono già “caldi” o il cui riscaldamento è previsto, e in cui sui settori freddi verrebbero installare solo le valvole che possono essere messe nei punti di accesso preesistenti (insomma, senza trapanare i magneti dei settori freddi). Questa seconda opzione permetterebbe di riaccendere la macchina nel 2009, e soprattutto agli esperimenti di iniziare a raccogliere dati.

lhc_preferred_scenario

La decisione finale è andata per l’opzione della riaccensione nel 2009, con un grosso sospiro di sollievo da parte degli esperimenti (e del sottoscritto), che non ne possono più di stare con le mani in mano. Da punto di vista della sicurezza le operazioni di consolidamento previste sembrano sufficienti; citando dai messaggi del Direttore Generale di oggi e di venerdì scorso:

The enhanced protection system measures the electrical resistance in the cable joints (splices) and is much more sensitive than the system existing on 19 September. The new pressure relief system has been designed in two phases.  The first phase involves installation of relief valves on existing vacuum ports in the whole ring. Calculations have shown that in an incident similar to that of 19 September, the collateral damage (to the interconnects and super-insulation) would be minor with this first phase. The second phase involves adding additional relief valves on all the dipole magnets and would guarantee minor collateral damage (to the interconnects and super-insulation) in all worst cases over the life of the LHC.

[Il nuovo sistema di protezione misura la resistenza elettrica nei cavi di connessione (tra i magneti), ed è molto più sensibile del sistema in funzione il 19 Settembre scorso. Il nuovo sistema di sfogo della pressione è stato disegnato per essere messo in opera in due fasi. La prima consiste nell'istallazione di valvole di sfogo nelle punti di connessione liberi già esistenti sui magneti dell'intero anello. I calcoli mostrano che nel caso di un incidente simile a quello dello scorso 19 Settembre, il danno collaterale (alle interconnessioni e al super isolamento [dei magneti]) sarebbe comunque trascurabile con questa prima fase. La seconda fase consiste nell’installare ulteriori valvole di sfogo su tutti i dipoli, e garantirebbe un danno collaterale trascurabile in tutti i possibili casi di incidente per tutta la vita di LHC.]

LHC sarebbe dunque in grado di (ri)iniziare a operare nell’autunno del 2009, ed è previsto che – diversamente dalle abitudini – la macchina non venga fermata per il consueto shutdown invernale, ma continui a funzionare fino all’autunno 2010. La ragione chiave per questa decisione è che gli esperimenti non avrebbero nessun interesse in un run breve (magari pure a bassa energia), che non consentirebbe altro che la calibrazione dei rivelatori, ma nessun studio di fisica concreto. Con questo lungo run tra il 2009 e il 2009, invece…

(…) there is a strong recommendation to run the LHC through the winter and on to autumn 2010 until we have substantial quantities of data for the experiments. With this change to the schedule, our goal for the LHC’s first running period is an integrated luminosity of more than 200 pb-1 operating at 5 TeV per beam, sufficient for the first new physics measurements to be made.

[(...) c'è una forte raccomandazione affinché LHC operi nel corso di tutto l'inverno e fino all'autunno del 2010, fino a quando non si abbia un sostanziale quantitativo di dati per gli esperimenti. Con questo cambiamento di programma, l'obiettivo per il primo periodo di operazioni di LHC è quello di raccogliere una luminosità integrata di più di 200 pb-1 operando a 5 TeV per fascio, [luminosità ed energia] sufficienti per permettere le prime misure di nuova fisica.]

E mi perdonino quelli che non hanno idea di che cosa sia un picobarn inverso (\rm{pb}^{-1}) di luminosità integrata: al volo, si tratta della misura di quante collisioni “buone” LHC sarà in grado di fornire in questo primo periodo di operazioni. Ne riparliamo nel prossimo articolo delle Formulette. L’energia nel centro di massa prevista è invece 10 TeV, che obiettivamente non è male (se veramente la macchina manterrà le promesse). Per i 14 TeV nominali, nella migliore delle ipotesi si dovrà attendere il 2011.

Che dire? Se veramente tra il 2009 e il 2010 si riuscissero a raccogliere 200 \rm{pb}^{-1} di dati buoni (nel senso di usabili per le analisi) a 10 TeV, beh, ci sarebbe parecchia nuova fisica da esplorare. Rassegnatevi, sarebbero comunque troppo pochi per il bosone di Higgs, ma probabilmente più che sufficienti per poter dire qualcosa sull’esistenza di una serie di altre particelle ipotetiche. E la natura potrebbe riservare altre sorprese.

Ovviamente, il punto rimane sempre lo stesso: quanto è realistico il piano di riparazioni e rimessa in moto di LHC che porterebbe a iniziare le operazioni questo autunno? Come sempre, per questo genere di questioni bisogna leggere tra le righe:

In Chamonix there was consensus among all the technical specialists that the new schedule is tight but realistic.

[A Chamonix i vari specialisti si sono trovati d'accordo sul fatto che il nuovo programma è stringente [nei tempi] ma realistico.]

Che significa probabilmente: “Cari fisici, non temete: l’impegno per far ripartire il macchinone è serio, e vi daremo al più presto delle collisioni su cui lavorare. Ma siccome le cose da fare sono tante e complesse, non stupitevi se rispetto a quanto vi dico oggi dovessimo accumulate qualche settimana di ritardo. Solo qualche settimana, state tranquilli”. Vedremo.

Ah, quasi dimenticavo:

A short technical stop has also been foreseen over the Christmas period.

[È stato anche previsto un breve stop tecnico durante il periodo natalizio.]

Nonostante tutto, non salteremo il pranzo di Natale nemmeno quest’anno.