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.

Nota a margine: il 12 settembre 2016 questo articolo è stato segnalato dal progetto Premio Treccani Web che seleziona "l'eccellenza italiana sul web". Grazie!

premiotreccaniweb_2016-09-12

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15 Commenti

  1. Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 07:14 | Permalink

    Video via sito "infn" https://iononfaccioniente.wordpress.com/2016/08/11/video-bbc-horizon-13-inside-cern-2016/ - Il chiarimento qui letto mi ha tolto un dubbio angoscioso: il video mi aveva fatto pensare che il CERN avesse dimostrato di essere inutile 😉
    Luigi

  2. Lorenzo
    Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 08:32 | Permalink

    Ciao Marco,
    mi è dispiaciuto leggere questo post, speravo veramente che tutto il lavoro fatto da te e dagli altri tuoi colleghi nell'ultimo anno avesse magari un epilogo differente, comunque come dici tu la scienza è fatta in questo modo e bisogna solo non farsi abbattere dalle delusioni e perseverare nella ricerca.
    Da quando ci sono comunque scusa se ne approfitto per farti una domanda, considera che di fisica io non ne so nulla, leggo qualche libro divulgativo perchè mi appassiona l'argomento, ma la teoria matematica di base è assolutamente fuori dalla mia portata.
    Una cosa che non riesco proprio a capire di queste fantomatiche particelle che "sopravvivono" solo per pochi istanti per poi decadere in qualcosa di più stabile è come facciano però a funzionare, mi spiego meglio!
    Da qualche parte ho letto che la fisica delle particelle è una scienza strana, nel senso che quando facciamo scontrare due particelle molto velocemente non troviamo quello che contengono ma molto di più, un pò come se dallo scontro di due automobili uscisse un transatlantico (perdonami ma questo esempio mi è sempre piaciuto). Quindi facciamo scontrare questi adroni ad energie altissime e vediamo cosa esce, dopo un pò di tempo e di sudore troviamo il bosone di Higgs, bene! Da quel che ho capito (scusa se dico cavolate) questa particella dovrebbe interagire con il campo di Higgs e fare in modo che la materia abbia massa! La cosa mi sta bene, quello che non capisco però è come faccia questa particella ad interagire con questo benedetto campo se in effetti la particella non può sopravvivere che per pochi istanti. Il mio corpo è fatto di materia, ho massa (anche troppa), quindi dovrei essere pieno di bosoni di higgs, dove stanno? Perchè occorre un esperimento complesso e costoso per rilevarli?

  3. Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 09:06 | Permalink

    Ciao Lorenzo,

    C'è un malinteso fondamentale rispetto al ruolo del campo di Higgs nel dare massa "alle cose": il meccanismo di Higgs è responsabile della massa delle particelle elementari, ma la somma delle masse delle particelle elementari non costituisce tutta la massa degli oggetti che ci circondano, anzi, ne è una frazione piuttosto piccola. Il resto, la maggior parte, è dovuto all'energia di legame tra i quark, ovvero è una manifestazione dell'interazione nucleare forte. Mi sa che prima o poi dovrei scrivere un articolo su questo fatto.

    Detto questo, non fare confusione tra "campo di Higgs" (pervade tutto lo spazio, e interagisce con tutte le particelle che lo attraversano) e "bosone di Higgs" (che il quanto, o, se preferisci", l'eccitazione del campo di Higgs, e appare solo quando le energie in gioco e le condizioni sono appunto in grado eccitare, per un rapido momento, il campo di cui sopra).

  4. Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 09:14 | Permalink

    @prolocwt: il video sulla pagina che link non c'è già più, che è la ragione per cui non ho messo un link esplicito nel testo. La BBC non ama che i suoi documentari finiscano su Youtube senza consenso, per cui non è impossibile vederlo se qualcuno lo carica, ma sparirà in fretta (il breve estratto che ho pubblicato è invece andato in onda al telegiornale della BBC, per cui penso sia ormai di dominio pubblico, o quasi).

  5. My_May
    Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 16:36 | Permalink

    ma...a parte la particella che non c'era, non dovevano saltar fuori un sacco di particelle super-qualcosa? Cioè niente di niente? C'erano anche micro-buchi neri che forse potevano essere visti (cosi avevo letto da qualche parte), o qualcosa che avesse a che fare con materia oscura. Invece niente!??!

    E' strano, ed anche un po' deludente. Il problema sarà capire come reagirà la "comunità" di fisici, dove o come andare a cercare quello che presumibilmente c'è ma non si vede. Certo se invece non ci fosse niente per davvero sarebbe un problema ancora piu grosso. Qualcosa di sbagliato nelle migliori teorie esistenti...o no?

  6. Lorenzo
    Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 17:02 | Permalink

    Si in effetti ero a conoscenza che non tutta la massa fosse direttamente imputabile all'effetto del campo di Higgs, ma non sapevo assolutamente che l'effetto fosse così marginale (rispetto all'interazione nucleare forte) e chiaramente non avevo affatto chiara la relazione tra particella e campo.
    Sbaglio quindi a pensare che il bosone di higgs stia al campo di higgs come il fotone sta al campo elettromagnetico, solo che occorre molta più energia per farlo uscire (cerca di capirmi... 🙁 )?
    A parte questo, penso comunque che un tuo articolo su questo argomento possa sicuramente aiutare molti di quelli che come me seguono la scienza da semplici spettatori!

  7. Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 17:17 | Permalink

    Rispetto alla "marginalità", bastano dei calcoli abbastanza semplici. Se pensi al protone (massa di circa 1 GeV) e i suoi costituenti (quark up e down, con masse rispettivamente di circa 2 e 5 MeV), vedi che la sola somma delle masse dei costituenti ti da circa 10 MeV, un fattore 100 in meno della massa totale! E siccome sono protoni (e neutroni) che fanno la maggior parte della massa della materia ordinaria, ecco la tua risposta!

    Quanto alla questione dei quanti dei campi, le cose si fanno complesse, perché dipende dai tipi di campi, e dalla modalità di interazione. Tecnicamente il bosone di Higgs è il quanto di *una* componente del campo di Higgs, ma la massa alle particelle viene data in modo diverso (semplificando al limite del ridicolo e buttando qualche parolone, ai bosoni dai quanti delle altre componenti, e ai fermioni da un termine di Yukawa). Diciamo insomma che, se uno dicesse che la massa delle particelle viene generata dallo scambio di bosoni di Higgs, direbbe una cosa ben poco corretta (scambio tra chi e chi?). Come vedi, l'analogia con il fotone (o il gluone, o i bosoni W e Z) non funziona.

  8. Tommaso
    Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 17:41 | Permalink

    Complimenti per la chiarezza, ho solo una domanda: perché per studiare le interazioni tra particelle così piccole sono necessarie energie sempre più elevate? C'è un limite a questo cioè esiste un punto oltre il quale teoricamente non si potrebbe andare oltre? Grazie

  9. Pubblicato il 25 agosto 2016 alle 22:48 | Permalink

    La dimensione delle particelle c'entra poco, per quello che ne sappiamo sono tutte puntiformi. Quello che importa è quanto è probabile produrle, una probabilità che aumenta con l'energia dei protoni che facciamo scontrare. Siccome si tratterebbe, se esistono, di particelle la cui produzione è rara, un'energia maggiore renderebbe maggiormente possibile una scoperta in tempo più brevi.

  10. ste
    Pubblicato il 26 agosto 2016 alle 01:07 | Permalink

    io l'ho appena visto a questo link (finchè dura ...):

    https://www.youtube.com/watch?v=52aDHAaFMz4

    grande lavoro! in effetti un po' di occhiaie ti si vedono 🙂
    mi hanno fatto solo un po' sorridere la voce profonda da Gandalf del narratore e i toni epici ... che pero' alla fine, per un documentario cosi', funzionano benissimo 🙂
    Una curiosità: ma gli onnipresenti cilindretti-particella camminanti li ha portati direttamente la BBC?

  11. Pubblicato il 26 agosto 2016 alle 08:29 | Permalink

    Non so, io non li ho visti se non nella versione finale del documentario. Secondo me ci hanno fatto giocare solo i teorici!

  12. ste
    Pubblicato il 26 agosto 2016 alle 21:32 | Permalink

    eheh, si sono divertiti parecchio i teorici 🙂
    ah, e altri 2 momenti epici sono:
    1. il tuo sguardo assassino in caffeteria (hai presente quando Camilleri scrive "tagliare" per dire guardare? ... ecco, è quello sguardo lì 🙂 )
    2. quando parte "it's a kind of magic" nella sala controllo di CMS (ad ATLAS invece a quale colonna sonora vi siete affidati? 🙂 )

  13. Pubblicato il 26 agosto 2016 alle 23:37 | Permalink

    Sapessi quanti caffè ho dovuto bere per quella scena 🙂

  14. Matteo
    Pubblicato il 27 agosto 2016 alle 11:54 | Permalink

    Dispiace molto che tanti sforzi, tanta generosa dedizione, tanta abnegazione direi, da parte di chi salta ferie e fini settimana per la passione, un sogno, e lavora come nessun altro, neanche gli schiavi nelle piantagioni, non siano ripagati con la merce d'uso in questa modernità.
    Ma forse il punto è proprio questo, questa del successo è una vera e propria malattia.
    Ma chi l'ha detto che nella scienza il non trovare quello che uno si aspetta è un fallimento?
    Perché quelle facce tristi, anche se con quel del bellissimo commento musicale di sottofondo scelto dalla BBC: Una Mattina, di Ludovico Einaudi? Siete proprio convinti che non aver trovato sia un insuccesso?
    Mi rendo conto, lo schema è che viene premiato chi trova, è questo può gratificare socialmente, ma è una gratificazione di incompetenti. Dobbiamo citare Michelson e Morley?
    La fisica non è trovare, non è affatto trovare, è capire! Via quella faccia delusa, siete gli stessi eroi di sempre, avete sempre voi in mano il polso delle cose, la fisica non vi ha traditi.
    Certo il successo avrebbe portato qualche soldo, la TV, la Ferrari, le donne, ma davvero fate tutto questo per le donne? (Voglio dire quelle che baciano il vincitore di tappa, solitamente due, una a destra e l'altra a sinistra.)
    Animo, queste sono scemenze, e voi invece avete fatto fare un altro passo importante alla fisica, cruciale direi, dovreste esserne consapevoli voi stessi, senza questo stupido panegirico qui. Anzi so che lo sapete da soli, e tutto questo scritto è superfluo.

  15. lisa
    Pubblicato il 30 agosto 2016 alle 19:37 | Permalink

    Grazie per gli aggiornamenti e per il suggerimento del documentario! In english, in italiano, come vuoi!!

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  • Di If I told you I’d have to kill you | il 31 agosto 2016 alle 10:24

    […] the end of July just before ICHEP, so there were many results I could not show them yet, including the disappearance of the excess at 750 GeV, thus the "if I tell you I will have to kill you" sentence reminds something I probably said to […]

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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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