Fisica

A couple of job opportunities to work with ATLAS in 2017

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I rarely discuss job administrative details on these pages, but I thought it could be interesting to advertise a couple of job openings here. At the beginning of 2016 me and a group of collaborators from the ATLAS experiment were awarded fundings by the French National Research Agency (ANR) for a project called PhotonPortal. The goal of the project, which I am the Principal Investigator of, is to search for phenomena beyond the Standard Model using event topologies with photon in the final state, and with precision measurement of the Higgs boson properties with the H\to\gamma\gamma decay. If you are interested in the project details, you can find a 30-pages writeup on the project website.

The PhotonPortal fundings will be mostly used to hire three 2-years post-docs, to be respectively based in LAL Orsay, LPNHE Paris, and at my lab in LAPP Annecy. We are now opening the first position to work in LAL, so if you have a PhD in particle physics and are interested to join the team, consider to apply. The opening has a formal deadline at December 1st, but the position will stay opened until filled. The opening for the position based in Paris will happen during Fall 2017, while that to work with my team in LAPP in Fall 2018. I'll publicise the future openings when the time will come.

At LAPP we are also looking for a new PhD student, to work with me on the measurement of the Higgs boson differential cross section with the H\to\gamma\gamma decay. The student is invited to join the team during Spring 2017 for an undergraduate internship  that could last from a minimum of six week to four months. This  pre-graduate-school internship is strongly advised: it will help to see whether the student is a good match for the team, and the other way around. Upon mutual satisfaction, the student could start the PhD in October 2017, based at LAPP with frequent presence at CERN (or the other way around, if needed). The reference university that will award the PhD title is the University of Grenoble. If interested, do not hesitate to contact me, all my work contact are on the project description.

A note for the Italian students: the undergraduate internship is something one can do between the end of your Master (laurea specialistica) and the beginning of the PhD, or as a part of the Master itself, upon agreement with your University. This is actually what the French student usually do, as part of the compulsory internship requested to complete their second-level Master and graduate. 

P.S. The PhotonPortal website is my first attempt to work with a static site generator. I used Jekyll, and I actually while liked it. One day or another I'll discuss the details a bit more.

(That's another entry among my attempts to blog in English. Un esperimento, appunto, da mescolarsi con la consueta scrittura in lingua italica: che lettori non anglofoni non disperano. Gli studenti di fisica di qualunque nazionalità, invece, dovrebbero sapere leggere l'inglese!)

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Avevo detto 40 femtobarn inversi, alla fine sono stati 38.9, non ci sono andato lontano. Di questi, ATLAS è riuscito a raccoglierne 35.9, il che significa un'efficienza di presa dati di circa 92%: perché l'acceleratore mica aspetta che il tuo rivelatore sia tutto perfettamente acceso e funzionante, e non sempre tutti i pezzi sono pronti e funzionati in tempo. Ma 35.9 femtobarn inversi, comunque, sono un sacco di collisioni.

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La presa dati di LHC del 2016 finisce stanotte

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L'ingresso alla sala di controllo di ATLAS (Foto: CERN)
L'ingresso alla sala di controllo di ATLAS (Foto: CERN)

Intorno alla mezzanotte di oggi gli ultimi fasci di protoni del 2016 smetteranno di circolare e collidere dentro LHC. Il programma delle collisioni protone-protone a 13 TeV, iniziato nel 2015 e continuato con un successo persino maggiore di quello che avevamo sperato, arriva alla fine. Nelle prossime settimane ci sarà ancora un breve run dove verranno fatti circolare e collidere ioni pesanti, per la gioia dei ricercatori di ALICE e di coloro che, in ATLAS e CMS, si interessano a questa fisica particolare. Per tutti gli altri, il bottino saranno i circa 40 femtobarn inversi (quanti saranno veramente alla fine lo sapremo solo tra qualche ora, ma 40 è una previsione e attendibile, visti quanti ne abbiamo già raccolti).

Soltanto nell'ultimo anno, LHC ha raccolto circa il doppio dei dati presi tra il 2010 e il 2012, e a circa il doppio dell'energia nel centro di massa. Siccome la probabilità produrre tracce di fenomeni nuovi aumenta tanto con la quantità di dati (se un fenomeno è raro, tentare di produrlo più spesso aumenta la possibilità di vederlo) che con l'energia (la probabilità che in uno scontro tra due protoni vengano prodotte particelle esotiche rare cresce con l'energia a disposizione), questi dati porteranno risultati mai visti prima. Sia che ci sia qualcosa di nuovo da osservare, o che invece si migliorino le esclusioni di teorie alternative al Modello Standard, la frontiera della conoscenza si sposterà non poco.

Alla fine della presa dati del 2015 c'era stato il famigerato "End-Of-Year-Event", un seminario pubblico di fine anno dove ATLAS e CMS avevano presentato i loro primi risultati. Per quell'occasione, tra l'altro, avevamo lavorato giorno e notte per tirare fuori anche il primo risultato della ricerca di nuove risonanze che decadono in coppie di fotoni, quello che mostrava un eccesso a una massa di 750 GeV, eccesso poi sparito nei primi dati del 2016. Da quello che si dice da queste parti, quest'anno non ci sarà nessun evento di fine anno, e questa è secondo una buona cosa. Per molte delle analisi a cui stiamo lavorando servirà infatti molto più tempo di quello che ci separa dalla pausa natalizia per capire per bene dettagli e incertezze. Fare nuovamente una corsa (dopo quelle a cui ci siamo sottoposti per la fine del 2015, le conference in primavera, e ICHEP quest'estate) non sarebbe una scelta scientificamente giustificata e umanamente sana. Il che significa però che, per vedere qualche risultato nuovo, dovrete pazientare fino alla primavera del 2017. A meno che, naturalmente, non ci sia qualche annuncio clamoroso da fare nel frattempo. Staremo a vedere.

Il seminario di ATLAS e CMS al CERN del dicembre 2015
Il seminario di ATLAS e CMS al CERN nel dicembre 2015

I parametri del Modello Standard. Sesta puntata: materia, antimateria e annichilazione

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Nelle puntate precedenti abbiamo giocato con i parametri che controllano i valori delle masse dei fermioni. Abbiamo reso l'elettrone usuale al muone, oppure appesantito un po' il quark down rispetto al quark up. Gli universi alternativi che corrispondono a un Modello Standard con questi cambiamenti sono molto diversi da quello in cui ci troviamo a vivere.

Qualcuno si è giustamente chiesto: non è che i parametri del Modello Standard sono stati "scelti" (dal caso, o persino da un'autorità superiore) apposta per generare proprio l'universo in cui ci troviamo? È una domanda lecita, che si pongono anche i fisici. Per tentare una risposta, o almeno passare in rassegna quelle che sono state formulate, dovremmo parlare di teorie degli universi multipli, e di principio antropico. Lo faremo, ma solo alla fine della serie. Prima spenderemo ancora qualche puntata giocando con i parametri del Modello Standard, per metterne in evidenza altre limitazioni che pongono domande piuttosto interessanti.

Con le masse dei fermioni potremmo continuare a giocare. Potremmo per esempio rendere le masse di tutti i componenti della prima famiglia (elettrone, neutrino elettronico, quark up e down) usuali a quelle delle particelle corrpispondenti della seconda familia (muone, neutrino muonico, quark charm e strange). L'elettrone sarebbe allora uguale al muone, come già in una precedente puntata, ma avremmo anche il quark up uguale al quark charm, e il quark down uguale al quark strange. Elimineremmo di fatto la prima famiglia, quella dei cui componenti è fatto tutta la materia "ordinaria" che ci circonda. Il quark più leggero sarebbe il quark strange, e ci ritroveremmo in un universo in cui il solo adrone stabile sarebbe quello che dalle nostre parti conosciamo come \Omega^- ("omega meno"), formato da tre quark strange. In quell'universo esiterebbe un solo atomo, simile al nostro idrogeno, ma con l'\Omega^- come nucleo al posto del protone, e un muone al posto dell'elettrone a ronzargli intorno. Come già negli esperimenti precedenti, non si tratterebbe di un universo particolarmente interessante! E potremmo continuare...

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Che cosa succederebbe invece in un universo in cui esistesse soltanto la prima famiglia di fermioni? Ovvero: come si comporterebbe un universo governato da un Modello Standard in cui i parametri che determinano le masse dei fermioni della seconda e terza famiglia fossero identici a quelli delle corrispondenti particelle  della prima famiglia? Un universo, insomma, con le stesse identiche interazioni del nostro, ma popolato soltanto da elettroni, neutrini elettronici, e quark up e down, i componenti di tutto quello che ci circonda.

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Potremmo essere tentati di rispondere: quell'universo sarebbe identico al nostro! Se tutto quello che circonda è costituito dai fermioni della prima famiglia, a che cosa servono dunque quelli della seconda e della terza? In effetti le cose sarebbero indistinguibili dal mondo in cui ci troviamo a vivere, a patto che quell'universo sia stato creato con la stessa quantità di materia ordinaria che osserviamo nel nostro oggi. C'è un problema importante con questa ipotesi, che non riguarda tanto il comportamento attuale di quell'universo alternativo, quanto piuttosto la sua capacità di evolvere fino ad assomigliare al nostro. Per capire questo problema, dobbiamo iniziare parlando di materia e antimateria, e di un fenomeno che si chiama annichilazione.

In tutte i capitoli precedenti di questa serie, ho sempre genericamente parlato di "particelle". Il che vuol dire che ho deliberatamente omesso, nel testo e nei disegnini, di parlare anche delle "anti-particelle", ovvero dei compagni "allo specchio" dei componenti fondamentalli della materia. È dalla metà del secolo scorso che sappiamo, prima in teoria e poi pure in pratica, che per ogni particella di materia ne esiste un'altra del tutto uguale tranne che per la carica elettrica opposta: per l'elettrone l'antielettrone, anche detto positrone, per ogni quark un antiquark, e così via. L'esistenza delle particelle di antimateria fu ipotizzata da Dirac nel 1928, come una conseguenza intrigante della struttura matematica della sua omonima equazione, e poi messa in evidenza sperimentalmente nel 1932, con la scoperta del positrone.

L'antimateria e la materia sono soggette a un fenomeno particolare. Se una particella di antimateria viene a contatto con la corrispondente particella di materia, entrambe le particelle spariscono in un processo chiamato annichilazione, in cui tutta l'energia della coppia particella-antipaticella, inclusa quella associata alle loro masse, viene rilasciata sotto forma di radiazione.

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Se le equazioni che governano il nostro mondo si comportassero in maniera perfettamente equivalente con la materia e l'antimateria, allora il nostro universo sarebbe riempito esclusivamente da radiazione. La materia e l'antimateria, presenti in quantità uguali al momento del Big Bang, avrebbero finito per annichilirsi completamente. L'universo in cui ci troviamo a vivere è in effetti riempito di radiazione, un rimasuglio di questa annichilazione primordiale! Ma una piccola frazione della materia originaria è però sopravvissuta all'annichilazione con l'antimateria, che è invece tutta scomparsa. Ne è rimasto un universo certamente dominato dalla radiazione e privo di antimateria, in cui però la piccola eccedenza di materia è rimasta a formare galassie, stelle e pianeti. Come mai? Non lo sappiamo, ma nella prossima puntata proveremo a capire se i parametri del Modello Standard abbiano qualcosa a che fare con questa fondamentale asimmetria.

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La mappa della radiazione cosmica di fondo misurata da WMAP (fonte: NASA)

I parametri del Modello Standard. Quinta puntata: minuscole differenze di massa

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Nella precedente puntata di questa serie sui parametri del Modello Standard abbiamo giocato con i valori delle masse dei leptoni. Abbiamo scoperto quanto le caratteristiche del mondo in cui ci troviamo a vivere dipendano dal fatto che l'elettrone ha una piccola massa, duecento volte inferiore a quella del muone. Immaginando un mondo in cui elettrone e muone hanno entrambi la massa del muone, ci siamo ritrovati in un universo spento, alla fine popolato solo da neutroni e neutrini. In quell'universo immaginario il neutrone, nonostante avesse  una massa maggiore di quella del protone come nel nostro universo, non poteva decadere a causa dell'assenza dell'elettrone.

Come ci siamo chiesti quali siano le conseguenze delle specifiche masse dei leptoni, arbitrarie nel Modello Standard, sulle caratteristiche del nostro universo, possiamo fare lo stesso esercizio con le masse dei quark. Iniziamo usando proprio quelli che compongono il protone (fatto da due quark up e un quark down) e il neutrone (composto da un quark up e due quark down).

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Prima di proseguire, è però necessario chiarificare un'aspetto importante delle masse delle particelle composte. I fisici delle particelle (me compreso, non sono immune a questa faciloneria) vanno spesso in giro a raccontare come l'interazione con il campo di Higgs sarebbe responsabile della massa delle particelle. Non è un'informazione falsa, ma detta così omette un elemento fondamentale. L'interazione con il campo di Higgs è soltanto responsabile della massa delle particelle elementari (i bosoni vettori, i leptoni e quark), mentre  Le particelle composte (come il protone e il neutrone, per esempio) hanno una massa che è ben più grande della somma delle masse dei loro costituenti. Prendiamo per esempio il protone: ha una massa di 938.2 MeV, quando il quark up ha una massa di 2.3 MeV, e il quark down di 4.8 MeV. La somma delle masse dei costituenti del protone è poco più di 9.4 MeV, circa cento volte meno della sua massa reale. Da dove viene dunque tutta la massa protone, se non da quella dei quark che lo compongono? Principalmente dall'energia di legame (in questo caso esercitato dalla forze nucleare forte, mediata dai gluoni) che tiene insieme i quark costituenti: la massa della materia ordinaria che ci circonda è generata al 99% dall'interazione nucleare forte, e non dal campo di Higgs!

Se avete digerito il paragrafo precedente (e, lo so, per molti potrebbe essere uno shock, vista la vulgata corrente che vuole il campo di Higgs come "responsabile della massa di tutte le cose"), capirete meglio cosa sto per raccontarvi. Se la maggior parte della massa degli adroni (la famiglia di particelle composte a cui appartengono il protone e il neutrone) è dovuta all'energia delle forze che agiscono tra i loro costituenti, non è campato in aria fare l'ipotesi che il protone abbia una massa lievemente superiore a quella del neutrone perché ha  anche una carica elettrica, e dunque acquisirebbe una frazione di massa anche dall'interazione di Coulomb. In effetti, questo sarebbe vero nel caso in cui il quark up e il quark down avessero esattamente la stessa massa. Ma come scrivevo poco fa, il quark down è un po' più pesante di quello up, e il fatto che il neutrone conti due down tra i suoi costituenti è sufficiente a rendere il neutrone leggermente più pesante del protone, nonostante una (piccola) frazione della massa del protone venga anche dalla sua carica elettrica.

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Qual è la differenza di massa tra protone e neutrone? È piccola. Il neutrone ha una massa di 939.5 MeV, dunque soltanto 1.3 MeV più che il protone:

m_n - m_p \simeq 1.3 MeV

Questa piccola differenza è dovuta esclusivamente alle specifiche masse dei quark, le quali, come quelle dei leptoni, nel Modello Standard hanno dei valori arbitrari, fissati a quello che misuriamo.

Come per le masse dei leptoni, possiamo allora immaginare un universo alternativo dove le masse dei quark siano diverse. Se per esempio immaginassimo un quark up un poco più pesante del quark down, per esempio con una massa di 4.9 MeV, troveremmo un universo in cui sarebbe il protone ad avere una massa di 1.3 MeV maggiore di quella del neutrone. Questa minuscola differenza avrebbe però delle conseguenze profonde. Tanto per dirne una, il protone non sarebbe stabile, e avrebbe tendenza a decadere in un neutrone, un elettrone e un neutrino. Conseguenza? Niente idrogeno, e dunque niente acqua, e niente vita basata sull'acqua.

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All'inizio della storia dell'universo, poi, le cose sarebbero andate molto diversamente da come è successo nel nostro mondo. Già alcuni istanti dopo il Big Bang, una volta scesa a sufficienza la temperatura, i neutroni sarebbero stati molti di più che i protoni. E i pochi protoni rimasti avrebbero principalmente formato nuclei di elio: ci saremmo ritrovati in fretta in un'inverso composto quasi esclusivamente da elio e neutroni. Ci sarebbero state anche piccole tracce di deuterio e trizio, ma di fatto i pochi protoni che non avessero formato nuclei di elio si sarebbero disintegrati in neutroni, elettroni e neutrini. I neutroni avrebbero di fatto giocato il ruolo che nel nostro universo hanno avuto i protoni nella nucleo-sintesi. Le stelle di questo universo alternativo sarebbero bruciate più velocemente che nel nostro, siccome la reazione nucleare dominante sarebbe stata quella tra due neutroni e non invece tra due protoni (tra i quali la reazione è rallentata dalla repulsione delle rispettive cariche elettrice).

A parte l'assenza dell'idrogeno, è difficile predire se quelle stelle avrebbero formato gli stessi elementi pesanti che formano il nostro mondo. Anche immaginando una nucleo-sintesi simile (e non lo sarebbe), la differenza di massa del quark up avrebbe comunque reso molti di questi nuclei instabili, e sarebbero stati invece più abbondanti isotopi con più neutroni. Tra questi e tutti i neutroni rimasti liberi di circolare, diciamo pure che questo universo alternativo sarebbe stato piuttosto inospitale! E tutto per una minuscola differenza della massa del quark più leggero...

Abbiamo visto come dei parametri apparentemente arbitrari del Modello Standard, la massa dei leptoni e quella dei quark, abbiamo un'influenza profonda sull'evoluzione e le caratteristiche dell'universo che ci circonda. Non saper spiegare perché i parametri che nel Modello Standard che determinano queste masse assumano proprio questi valori è uno degli indizi che suggerisce che il Modello Standard non è una descrizione completa della Natura. Ma i parametri che controllano le masse non ne sono l'unico aspetto arbitrario. Oltre ai valori delle loro masse, per esempio, ci si potrebbe per esempio chiedere perché c'è un certo numero di famiglie di leptoni e quark. Perché tre, e non di meno (per esempio perché non soltanto la prima famiglia, con la quale di fatto possiamo costruire tutta la materia ordinaria?) oppure di più? Ne parleremo nella prossima puntata.

(continua)

I parametri del Modello Standard. Quarta puntata: l'universo muonico

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Avete ripassato? Vi siete riletti almeno la seconda puntata della serie? Cominciamo allora proprio dagli ultimi parametri elencati in quell'articolo, quelli al punto 7. Si tratta delle costanti dette "di Yukawa", che determinano la massa dei fermioni dotati di carica elettrica, ovvero i sei quark, l'elettrone, il muone e il leptone tau.

La domanda che si nasconde dietro a questi parametri è: perché i fermioni hanno proprio le masse che osserviamo, e non altre? Ovvero, perché l'interazione del campo di Higgs con i fermioni ha proprio quelle particolari intensità, diverse da fermione a fermione? Il Modello Standard non è in grado di rispondere a queste domande, che rappresentano dunque uno dei suoi punti aperti.

Chiedersi perché i membri di una certo gruppo di particelle elementari abbiano le masse che osserviamo potrebbe sembrare una domanda squisitamente accademica. In realtà, l'ignoranza che si nasconde dietro a tale quesito si estende ben al in là della pura fisica delle particelle. Non sapere perché i fermioni abbiano proprio le masse che hanno, significa non saper spiegare, perlomeno al livello dei componenti fondamentali, perché esistano gli atomi e le molecole che compongono il mondo in cui viviamo. Quest'ultima affermazione potrebbe sembrare esagerata, cercherò dunque di spiegare con due esempi concreti che cosa intendo. Il primo riguarda i leptoni, di cui parlerò in quest'articolo, il secondo i quark, che saranno oggetto del prossimo.

Partiamo dalle masse dei leptoni più leggeri: l'elettrone e il muone. Nell'ambito del Modello Standard,  il fatto che il primo (l'elettrone) abbia una massa circa 200 volte più piccola del secondo (il muone) è di fatto arbitrario. Immaginiamo dunque di poter variare a piacere quel parametro che nel Modello Standard controlla il valore della massa dell'elettrone, e di renderlo uguale a quello che controlla la massa del muone. Che cosa succede? In quest'universo alternativo, elettrone e muone sono pertanto indistinguibili, visto che nel nostro mondo queste due particelle differiscono soltanto per le loro masse. Nell'universo alternativo ci sarebbero dunque soltanto muoni, e niente elettroni. Quali sarebbero le conseguenze, assumendo che tutti gli altri parametri del Modello Standard restino uguali?

La prima conseguenza è che il muone sarebbe una particella stabile. Nel nostro mondo i muoni hanno una vita media (a riposo) di 2.2 microsecondi, dopodiché decadono in un elettrone accompagnato da due neutrini. Non essendoci elettroni, questo decadimento non sarebbe possibile.

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La seconda conseguenza, figlia della prima, è che il ruolo che oggi svolgono gli elettroni nella formazione degli atomi verrebbe preso dai muoni. In mancanza di elettroni, nel nostro universo alternativo si potrebbero formare soltanto atomi "muonici", strutture in cui è appunto un muone a orbitare intorno al nucleo atomico. Gli atomi muonici sono oggetti che osserviamo anche nel nostro mondo, con la sola differenza che, non essendo il muone una particella stabile, questi non sopravvivono  a lungo. Ne conosciamo però le proprietà: una di queste è ad esempio che, essendo il muone circa 200 volte più pensante dell'elettrone, gli atomi muonici hanno un raggio circa 200 volte inferiore a quello dei corrispondenti atomi tradizionali formati con gli elettroni.

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Sebbene sia affascinante immaginare un mondo alternativo dalle dimensioni "compresse", un'altra proprietà degli atomi muonici renderebbe tale mondo senza elettroni un luogo assai poco interessante. Negli atomi muonici che non si disgregano causa del decadimento del muone avviene infatti un altro fenomeno, chiamato "cattura del muone". Uno dei protoni del nucleo atomico cattura un muone e si trasforma in un neutrone, emettendo un neutrino muonico. In un universo in cui i muoni fossero stabili, questo processo sarebbe il destino di tutti gli atomi muonici: a forza di catturare muoni e trasformarsi in neutroni e neutrini, non resterebbe in quel mondo nessun protone. Nessun atomo sarebbe stabile, nemmeno l'idrogeno. Nel nostro universo un fenomeno simile alla cattura muonica è possibile anche con gli elettroni, ma la "cattura elettronica" è molto rara, e avviene solo in atomi molto particolari in cui si verifichino le condizioni energetiche necessarie. I nostri atomi sono salvi, grazie anche al piccolo valore della massa dell'elettrone.

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Tenete infine presente che, se nel nostro universo il neutrone non è una particella stabile, lo sarebbe in un universo senza elettroni. La massa del neutrone è infatti superiore alla somma delle masse di un protone, un elettrone e un neutrino:

m_p + m_e + m_{\nu_e}" />

cosa che permette il decadimento del neutrone. Nel mondo con i soli muoni questa sarebbe invece inferiore alla somma della massa di un protone, un muone e un neutrino:

m_n < m_p + m_\mu + m_{\nu_\mu}

Il bilancio energetico sfavorevole impedirebbe dunque il decadimento del neutrone.

La conseguenza finale: un simile universo sarebbe riempito esclusivamente di neutroni e neutrini. Niente atomi, niente molecole, niente vita. Niente stelle, se non stelle di neutroni. Insomma un universo buio e noioso.

I valori particolari delle masse dei fermioni non sono gli unici parametri che influenzano la possibilità di esistenza degli atomi nell'universo. Anche le masse dei quark, se fossero diverse, risulterebbero in un universo alternativo. Ma di questo parleremo nella prossima puntata.

(continua)

I parametri del Modello Standard. La serie ricomincia

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Ho deciso di riprendere in mano la serie sui parametri del Modello Standard. Ve la ricordate? Quella con la quale...

(...) pensavo di passare in rassegna i parametri del Modello Standard, discutendo quali siano le conseguenze del valore che questi parametri assumono, e provando anche a immaginare come sarebbe un universo in cui alcuni di questi parametri assumessero un valore diverso.

Sto scrivendo le prossime puntate, la quarta dovrebbe arrivare tra qualche giorno. Nell'attesa potrebbe valere la pena di rinfrescarsi la memoria con le prime tre puntate:

... e in particolare con la seconda. È proprio da quella che partiremo, provando a capire che cosa succederebbe se alcune delle 18 (o 26, se contiamo le masse dei neutrini) costanti (ma sono poi veramente costanti? Parleremo anche di questo, a un certo punto) avessero un valore diverso da quello che osserviamo, e che inseriamo "a mano" nelle equazioni della teoria, proprio perché la teoria, lei, da sola non li predice. A tra pochissimo!

Source: Wikipedia
Source: Wikipedia

If I told you I'd have to kill you

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Being employed by a research institute (the French IN2P3, largely corresponding to the Italian INFN), contrary to university researchers or professors I do not have formal teaching duties. This leaves me plenty of time to devote to research (teaching can be very time-consuming, especially considering evaluations and exams that come with the job!), and that's a very good thing. On the other hand, it's not that I do not like teaching: I actually enjoy it quite a lot (and sometime I ask myself whether I should consider a change in my career path, but that's another story)!

If I do not have to teach, I can teach if I want to, and so I try to do it every once in a while. Since three years I'm a faculty member of the ESIPAP school, and lately I have been coopted to give a couple of lectures about LHC physics at the under-grad summer scho0l we host in Annecy since some time. Both experiences have been very rewarding, and I am currently pondering whether I should actively search for more teaching occasions.

Anyway, this year the students of the Annecy summer school were apparently so satisfied of the classes, that they decided to offer the faculties hand-made thank-you t-shirts. The one below it's mine, and it's a nice summary of what they retained of the lectures. There's the Mexican-hat Higgs potential, the appearance of an excess over a background spectrum as the possible signature of the presence of a new phenomenon, the fact that nobody should get excited about a 2-sigma fluctuations (I particularly appreciated the pun about wimps, it's all theirs). The school took place at 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 answer a direct question. The fact that ATLAS seems to be better the CMS is definitively on them, I certainly did not encourage anything like that! As for the nice moustache, well, who knows?

GRASPA2016_TShirt_Marco

 

(That's another experiment with blogging in English. Un esperimento, appunto, da mescolarsi con la consueta scrittura in lingua italica: lettori non anglofoni, non disperate!)

La particella che non c'era

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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.

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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.

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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!

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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!

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