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tra Scienza & Coscienza

"Il cielo stellato sopra di me, la legge morale dentro di me'' I. Kant

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IL FUTURO DI LHC- INTERVISTA A NADIA PASTRONE

HI-LHC è un orizzonte che va ben oltre il semplice progetto scientifico.

Il futuro di LHC è radioso e va oltre il bosone di Higgs. Dal 2026 High Luminosity LHC osserverà le più inaccessibili particelle e potrebbe essere in grado di riscrivere la nostra comprensione dell’universo.

Abbiamo parlato di questo con Nadia Pastrone che attualmente è la coordinatrice nazionale dei fisici italiani che lavorano all’esperimento CMS dell’acceleratore di particelle LHC al Cern di Ginevra.

 

 
– Con quali accorgimenti tecnici si va a migliorare uno strumento incredibile come LHC?

Tutto il complesso di acceleratori del CERN è in un processo di ammodernamento per poter avviare la nuova fase di LHC ad alta luminosita’ (HiLumi LHC). In particolare lungo l’anello di 27 km di circonferenza, verranno inseriti nuovi magneti superconduttori più potenti sia per deflettere le traiettorie dei fasci circolanti nei due anelli, che per focalizzare i fasci nelle zone di collisione. Verranno installati nuovi collimatori e si utilizzeranno cavità a radio frequenza superconduttrici speciali.

I nuovi componenti della macchina sono il frutto di studi e prototipi preparati al CERN e in vari Paesi del mondo.

Sono già cominciati i lavori di ingegneria civile per ottimizzare la gestione degli apparati criogenici che permetteranno ai nuovi componenti di operare nella nuove condizioni di lavoro.

Il progetto ha complessivamente un costo di 950 MCHF in 10 anni.

– Come l’aggiornamento degli strumenti migliorerà la comprensione sul bosone di Higgs?

LHC ad alta luminosità produrrà  15 milioni di bosoni di Higgs per anno, cda confrontarsi con i 1.2 milioni prodotti nel  2011 e 2012, che hanno portato alla scoperta. In questo modo la misura di tutti i canali di decadimento e delle caratteristiche di questa particella potranno essere adeguatamente studiati.

– Cosa significa e in che modo è importante aumentare la luminosità di LHC?

La luminosità di un collisore di particelle come LHC è proporzionale al numero di collisioni al secondo. Maggiore è la luminosità e più dati vengono raccolti dagli esperimenti per studiare eventi rari. Ogni fascio e’ costituito da circa 3000 pacchetti equispaziati di 25 ns e contenenti ciascuno circa mille miliardi di protoni.

– Quali performance raggiungerà LHC?
LHC, dopo il 2025, raggiungerà una luminosità istantanea incrementata di un fattore 10 rispetto alle attuali
prestazioni. Questo permetterà di raccogliere ogni anno una quantita’ di dati pari a quanto ottenuto fino ad allora da LHC.
In un arco temporale di circa 10 anni i dati raccolti saranno 10 volte superiori.

– In che modo HiLumi LHC migliorerà lo studio delle collisioni?

HiLumi LHC, grazie alla mole di dati raccolti consentira’ di studiare con precisione i processi fisici piu’ rari, di esplorare i confini della Fisica delle particelle oltre il Modello Stnadard, di cercare la materia oscura, la supersimmetria e le extra-dimensioni. Ma soprattutto fornirà misure di precisione sulle caratteristiche del bosone di Higgs.

– Quali esperimenti sono in cantiere per l’upgrade dello strumento?

ATLAS e CMS, dopo aver scoperto il bosone di Higgs nel 2012, hanno continuato ad analizzare i dati raccolti per studiare con precisione il quark top e il bosone di Higgs, ma anche per studiare il Modello Standard e i decadimenti rari che indicherebbero la presenza di nuovi fenomeni non ancora previsti dalla teoria.

– In che modo sono usate le cavità a granchio e perché sono fondamentali?

Le cavità superconduttrici a granchio, ora in fase di test, consentiranno di manipolare i fasci di protoni, massimizzando l’area di sovrapposizione dei due pacchetti al momento della collisione, aumentando di fatto la luminosità.
La struttura dei fascio nell’area di collisione ricorda il movimento di un granchio.

Fonte foto: CERN

COME L’ARTE TOCCA LA SCIENZA: INTERVISTA A LUCA POZZI

Abbiamo parlato con Luca Pozzi, brillante artista che da anni indaga il confine a cavallo tra arte e scienza cercando di raccontare in modo avvincente e tramite dei capolavori visuali le avventure della scienza. L’artista vanta delle collaborazioni con NASA, CERN e ESA ed è sempre attento a ciò che succede nel mondo della ricerca.

Nel nostro colloquio abbiamo parlato del connubio tra artista e scienziati, cercando di capire come la creatività influenza l’attività dei migliori uomini di scienza del pianeta.

Il connubio tra scienza e arte non è semplice o immediato per tutti. Tu come hai cominciato a orientarti in questo campo?

 

Inizialmente coltivando il “Dubbio” innato che avevo per le cose, alimentando e potenziando una specie di curiosità resiliente. Nutrivo semplicemente la necessità di immaginare le cose oltre le finestre sensoriali del mio corpo. L’arte lo ha sempre fatto ma a un certo punto della ricerca l’esperienza è diventata così poco intuitiva da aver bisogno di nuovi strumenti immaginativi su cui poter contare per poter evolvere.

Un giorno mi sono imbattuto in una frase di Paul Dirac, uno dei fondatori della meccanica quantistica nonché padre dell’anti-materia, secondo cui era possibile scoprire nuove leggi di natura, cito testualmente: “Giocando con le equazioni, modi diversi di scrivere la stessa equazione possono suggerire cose diverse sebbene logicamente equivalenti”. Così che è iniziato il mio interesse per la scienza, leggendo. Ho scoperto i libri di fisica teorica, i grandi classici come “la strada che porta alla realtà” di Roger Penrose, “l’universo elegante” di Brian Greene, “la rinascita del tempo” di Lee Smolin passando per “la leggerezza dell’essere” di Frank Wilczek e “La realtà non è come ci appare” di Carlo Rovelli per citarne alcuni. La cosa strana è che più li approfondivo e più riscoprivo la genesi di opere del passato più o meno recente. Ricalcando le orme delle problematiche di alcuni scienziati emergevano soluzioni formali in abito artistico. Questa correlazione mi ha dato molta fiducia e mi ha spinto ad andare oltre la letteratura verso un progressivo avvicinamento con la comunità scientifica, sia in ambito teorico che sperimentale.

 

In che modo l’arte completa la scienza? Quali sono i punti in comune tra un artista e uno scienziato?

 

Penso vivano in rapporto simbiotico e siano alimentate dallo stesso sforzo immaginativo, ma che rispondano ad attitudini diverse per certi versi complementari.

I punti in comune li si può rintracciare negli sforzi dei ricercatori che ci hanno preceduto. L’arte e la fisica durante il ventesimo secolo hanno cercato di descrivere come le cose si comportano nella grande e nella piccola scala. Entrambe a modo loro hanno forzato I nostri limiti immaginativi e ci hanno parlato dell’esistenza di barriere energetiche invisibili.

Incredibilmente semplificando la quesitone, la relatività generale, attraverso l’arte ad essa connessa, ci ha dischiuso il mondo dei pianeti e delle galassie, dei viaggi nello spazio, dove il concetto di simultaneità degli eventi non è permesso e dove il significato di forma e grandezza perde ogni senso di verità assoluta. Pensiamo a Picasso, Brancusi e Giacometti per esempio…grazie all’idea di movimento relativo, I viaggi nel tempo ci appaiono come qualcosa di concreto, quasi inevitabile, sappiamo dell’interconnessione tra figura e sfondo e che la velocità di un corpo produce una distorsione della forma. La meccanica quantistica invece, e l’arte ad essa connessa è capace di teletrasportarci in un mondo totalmente diverso dove è impossibile conoscere al tempo stesso la posizione e la velocità di un oggetto, dove ogni cosa che succede è probabilistica e dove il solo fatto di osservare la realtà provoca un inevitabile perdita di informazione. L’invenzione del dripping di Jackson Pollock è eclatante in questa prospettiva, sgocciolamenti casuali e sovrapposti generati dal movimento di un corpo nello spazio di probabilità di un campo circoscritto.

Ovviamente come in passato anche il nostro presente è ricco di sfide.

Nel 2018 ci troviamo di fronte ad altrettanto validi e sorprendenti interrogativi che, com’è accaduto in passato, coinvolgono indiscriminatamente ogni disciplina. Oggi ci fa riflettere l’incompatibilità profonda tra relatività generale e meccanica quantistica e ci confonde vedere l’incoerenza che nasce dallo scontro del molto grande e del molto piccolo in regimi energetici prossimi alla scala di planck. Le domande che la fisica teorica si pone in ambito di gravità quantistica trascendono la matematica e stimolano problemi immaginativi profondi. La teoria delle stringhe per esempio ci obbliga a riconsiderare, insieme ai pilastri della fisica moderna, anche la percezione della realtà a 360° parlandoci di dimensioni arrotolate e stringhe vibranti. La Loop Quantum Gravity, d’altro canto, mette persino in dubbio l’esistenza del tempo come fenomeno fondamentale della natura postulando l’esistenza di un network di pura topologia da cui emergerebbe il campo gravitazionale.

La fisica delle particelle nel suo processo di definizione del modello standard stà espandendo la conoscenza dei comportamenti intimi della natura fino a parlarci di come emerge la massa grazie al campo di Higgs, ma sappiamo che potrebbe esserci una fisica oltre tale modello…

C’è davvero tantissimo lavoro da fare, il problema è colmare il gap esperienziale dell’individuo che, mediamente tende a difendere i suoi sensi piuttosto che metterli in discussione.

 

Abbiamo spesso parlato nelle nostre interviste con vari scienziati del ruolo della creatività nelle scienze. Qual è per te uno scienziato, uno studioso modello?

 

Sicuramente Carlo Rovelli, con cui ho avuto il piacere di conversare dal 2010 a oggi. Ma anche Daniele Oriti, Francesca Vidotto ed Eugenio Bianchi! Tra i ricercatori stranieri Aurelien Barrau e Joao Magueijo.

 

Luoghi come il CERN, i laboratori NASA e tanti altri posti importanti dal punto di vista scientifico, come si legano alla creatività e all’arte?

Sono i templi della ricerca, ed hanno la capacità di catalizzare e aggregare l’attenzione delle menti più brillanti del pianeta come in passato è accaduto a Parigi per le avanguardie storiche e a New York per l’espressionismo astratto.

 

Nell’ultimo decennio si è parlato tanto di teorie sull’inflazione cosmica che generano ipotesi come il multiverso. L’arte però immagina universi paralleli e rimbalzi cosmici da tempo, nel tuo lavoro hai la percezione di riuscire a ispirare gli scienziati?

 

Nutro la speranza di contribuire alla “Global Picture” in quanto parte interna e non esterna di un sistema, senza avere la pretesa di sapere come funzioni questa complessa rete di influenze reciproche ricorsive più o meno subliminali.

In Italia si parla spesso di una scorretta divulgazione che genera notizie false come nel caso dei vaccini, scie chimiche e altro. Qual è il compito dell’artista in questo momento storico difficile dove fidarsi è un’impresa?

 

Bella domanda, non lo so. Anche se ragiono spesso sul concetto di SPAM e di “Storia”. In fin dei conti quello che è falso oggi potrebbe essere vero domani e viceversa. Una falsa notizia, come una vera notizia sostanzialmente può fare due cose: provocare interesse oppure no. Io mi concentrerei più sulla natura profonda dell’interesse piuttosto che sulla attendibilità o no di una notizia. Se c’è l’interesse poi se la notizia è sbagliata ne si verrà a capo, se non c’è interesse non lo sapremo mai.

Cosa stai programmando per il prossimo futuro? Su cosa stai lavorando?

 

Sto realizzando una serie di nuove sculture in bronzo equipaggiate di rivelatori di particelle studiati in collaborazione con l’Istituto Nazionale di fisica Nucleare (INFN). Vorrei arrivare ad integrare linguaggi espressivi provenienti dalla cosmologia multi-messaggera ai formalismi arcaici dell’arte a cui siamo abituati, al fine di riconsiderare le obsolete categorie di “disegno”, “Pittura” e “scultura” a cui siamo abituati. Un’opera secondo me va oltre queste definizioni, per analogia credo che si comporti piuttosto come un diamante: trattiene, potenzia e rilascia l’informazione che, nel caso della pietra preziosa si misura in luminosità, nel caso dell’opera…è indicibile.

 

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IL SENSO DELLA BELLEZZA ARTE E SCIENZA AL CERN

 

Il 21 e il 22 novembre (e solo in quelle date!) arriverà nelle sale italiane, distribuito da Officine UBU, Il Senso della Bellezza, Arte e scienza al CERN diretto da Valerio Jalongo e girato all’interno del prestigioso e più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle.

Il film è il racconto di un esperimento senza precedenti che vede scienziati di tutto il mondo collaborare intorno alla più grande macchina mai costruita dagli essere umani per scoprire i misteri dell’universo, ovvero, l’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider).

Il senso della bellezza” racconta un momento speciale del CERN, a sessant’anni

dalla sua nascita. Quattro anni dopo la sensazionale scoperta del “Bosone di Higgs”, il CERN è alla vigilia di un nuovo, eccezionale esperimento. Un viaggio nel tempo più lontano e nello spazio più piccolo che possiamo immaginare: un’esplorazione della materia immediatamente dopo il Big Bang che ha dato origine al nostro universo.

 

 

 

«Molti di noi assistono con sgomento alla crisi dell’Europa – dichiara il regista – del suo sistema politico, dei suoi ideali assediati da antiche diffidenze e nuovi fanatismi. C’è un’istituzione europea però che resiste, e anzi sembra aumentare il suo prestigio. È il CERN di Ginevra, creato nel dopoguerra dai fisici europei quasi come antitesi al Progetto Manhattan – che portò alle bombe americane di Hiroshima e Nagasaki».

«Il CERN ha scopi pacifici  non ha finalità di lucro e le sue scoperte sono condivise e a disposizione di tutti. Forse questo spiega un singolare paradosso nella storia di questa grande comunità di scienziati: e cioè come mai un laboratorio di Fisica delle particelle, dove si persegue la conoscenza pura, senza alcuna applicazione pratica, sia stato all’origine dell’invenzione che più di ogni altra ha rivoluzionato le nostre vite. È infatti al CERN che nel 1990 nasce il World Wide Web, l’internet libero di un mondo senza più confini».

In questo anello a cento metri di profondità e lungo ventisette chilometri si producono ogni secondo miliardi di collisioni tra particelle subatomiche. Perché? Cosa stanno cercando i fisici con i loro rivelatori? Queste specie di macchine fotografiche di proporzioni titaniche come ATLAS e CMS, sono capaci di scattare quaranta milioni di “fotografie” al secondo.

 

 

Ma chiamarle “fotografie” è in realtà una semplificazione per i media. Nessun fisico usa davvero quelle immagini per elaborare le proprie teorie. Perché i fisici degli ultimi cento anni hanno imparato a loro spese che siamo di fronte ad alcuni aspetti della Natura che sembrano assurdi.

«Ormai i fisici cercano di avvicinarsi a questi fenomeni per noi ancora misteriosi con la matematica, e con esperimenti che forniscono posizioni, dati statistici, numeri. Sanno di non avere più nessuna immagine concreta della Natura da offrirci. E non solo perché si tratta di realtà infinitamente piccole, invisibili. Ma perché la natura, nella sua essenza, ha un comportamento che è lontano dal senso comune e dai nostri cinque sensi.

«La Fisica moderna ha distrutto le ultime certezze che venivano dalla nostra esperienza del mondo, ma non ha trovato una spiegazione altrettanto certa e definitiva. La scienza, questo dovremmo averlo capito ormai, non cerca verità assolute, è sempre in cammino, sospinta solo dal dubbio e dall’ansia di conoscere.

Il titolo del film potrebbe apparire fuori luogo data l’aura scientifica che il CERN emana: eppure queste riprese vogliono essere un viaggio in un parallelo tra arte e scienza esplicitato attraverso scienziati e artisti contemporanei. Attraverso immagini sensazionali del CERN di Ginevra e interviste esclusive a scienziati e artisti, il documentario spiega come scienza e arte, in modi diversi, inseguano verità e bellezza.

«Come diceva Einstein, il mistero più grande è la nostra capacità di conoscere l’universo, di afferrarne la misteriosa semplicità e bellezza».

 

 

Un documentario con Fabiola Gianotti, Gian Francesco Giudice, Luis Alvarez Gaumè, Paolo Giubellino, John Ellis, Antony Gormley, Michelangelo Mangano, Sergio Bertolucci, Robert Hodgin

Scritto e diretto da: Valerio Jalongo

Fotografia: Alessandro Pesci, Leandro Monti

Montaggio: Massimo Fiocchi

Musiche originali: Maria Bonzanigo, Carlo Crivelli – eseguite dall’Orchestra della Svizzera Italiana diretta da Kevin Griffiths

Suono: Christophe Giovannoni, Masaki Hatsui

Produttori: Tiziana Soudani, Silvana Bezzola Rigolini, M. Letizia Mancini

Produttore associato: Camilo Cienfuegos per La Frontera Video & Film

Produttore esecutivo: Tina Boillat

Una produzione: Amka Films, RSI Radiotelevisione Svizzera SRG SSR, Ameuropa International con Rai Cinema

Crediti: Coelum Astronomia

ANTI-IDROGENO, LO SPETTRO RILEVATO DA ALPHA CAMBIA LO STUDIO DELL’ANTIMATERIA

L’esperimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus), da anni a caccia di tracce dell’antimateria, ha rilevato lo spettro di un atomo di anti-idrogeno, misurando per la prima volta lo spettro di questa materia così esotica e inafferrabile fino ad alcuni giorni fa.

La rilevazione sarà importante per ulteriori conferme alla teoria della relatività di Einstein, i fisici dell’esperimento hanno osservato uno spettro uguale a quello dell’idrogeno, avendo per questo una conferma anche sul modello standard della fisica particellare.

La ricerca che presenta la scoperta è stata pubblicata su Nature: noi abbiamo parlato con Niels Madsen dell’Università di Swansea, scienziato del CERN che da anni si occupa dell’esperimento ALPHA.

Il metodo di osservazione è molto importante, infatti: “La spettroscopia è la tecnica più precisa che noi esseri umani abbiamo a disposizione per studiare le cose”, nello studio dell’anti-idrogeno si è portata la tecnica quasi al limite: “Il record del mondo è qualcosa come a 18 cifre decimali di precisione, per individuare la linea 1S-2S dell’idrogeno ci si avvicina alle 15 cifre decimali”.

In particolare per rendere lo studio possibile è stato necessario: “Illuminare l’anti-idrogeno con una laser a 243nm, migliorato in una cavità di accumulo (resonator)”, per comprendere l’esatta frequenza del laser necessaria per l’idrogeno c’è voluto del tempo, Madsen ci ha spiegato che è stato necessario un detuning di 200 kHZ per interagire con gli atomi.

Queste caratteristiche fanno di questa individuazione il più preciso confronto tra materia e antimateria mai ottenuto.

La storia dell’antimateria inizia proprio su Nature nel 1898, grazie a delle speculazioni su un ipotetico sistema solare costituito di antimateria.

Negli ultimi anni però, grazie agli esperimenti del CERN, c’è stato un vero salto di qualità nella ricerca sperimentale, in particolare nello studio dell’anti-idrogeno.

È estremamente difficile produrre e imbattersi nell’antimateria, Madsen ci ha ricordato: “Qualsiasi briciolo che appare sopravviverà solo per un breve periodo, in quanto appena viene a incontrarsi con la materia essa si annienta”. Studiando dei casi precisi come per i positroni (antielettroni): “Essi appaiono regolarmente da alcuni tipo di decadimento radioattivo, ma sopravvivono fino ad incontrare un elettrone, il che avviene molto presto nella maggior parte dei casi”.

Per formare l’anti-idrogeno c’è bisogno di riunire antiprotoni e positroni e generare collisioni, come ci ha spiegato il professore: “Tutto ciò è estremamente difficile, anche se nel corso del tempo abbiamo ottimizzato il processo e riusciamo a fare 2500 atomi di anti-idrogeno ogni sette minuti (ancora poco)”. Per studiare queste particelle così imperscrutabili c’è bisogno di vere trappole tenute ad una temperatura estremamente bassa.

Le conquiste ottenute nel processo permettono di intrappolare: “Circa 15 di questi contemporaneamente, che è un ordine di grandezza sopra i nostri precedenti esperimenti”. Ad oggi il team di ALPHA è l’unico in grado di raggiungere risultati del genere.

Complessivamente i fisici hanno intrappolato 1,6 milioni di positroni e 90.000 antiprotoni tenuti a galla in un cilindro grazie a forti campi elettrici.

L’antimateria è una sorta di fantasma del nostro universo, tanto evanescente quanto affascinante per gli scienziati e non solo.

Ora abbiamo la prima conferma che lo spettro dell’idrogeno sia lo stesso dell’anti-idrogeno: “Il modello standard si aspettava questo, anche se c’è ancora qualche piccola imprecisione; negli anni a venire abbiamo in programma di migliorare i dati per avvicinarci all’idrogeno. Un’eventuale differenza, non riconducibile ad alcun errore sperimentale, significherebbe una riscrittura del modello standard”.

Gianluigi Marsibilio

Crediti foto: ( Maximilien Brice/CERN)

“Sette Giorni di Scienza”

Proxima Centauri e il futuro della fisica sperimentale, questi sono gli argomenti che toccheremo questa settimana con Sette Giorni di Scienza. Lo faremo tramite l’aiuto di Micheal Endl, autore dello studio sul pianeta di Proxima Centauri e Bruno Lenzi, fisico del CERN.

PROXIMA CENTAURI, LA CACCIA AI MONDI INIZIA ADESSO

“Roccioso e nella zona abitabile della sua stella madre, tuttavia ancora sappiamo se è davvero simile alla terra nella composizione, atmosfera e campo magnetico” così Micheal Endl ci ha descritto Proxima b. Pur non tralasciando questi dettagli fondamentali per scoprire cosa ci potrebbe riservare questo pianeta, oggi possiamo già festeggiare per la rilevazione del mondo intorno alla stella più vicina al nostro sole, perchè testimonia che siamo effettivamente entrati in un nuova era per la ricerca degli esopianeti.

Bisognerà aspettare la nuova generazione di strumenti per che: “Aiuteranno nello studio della composizione del pianeta e nello studio della possibile atmosfera del pianeta”.

Gli scienziati stanno a guardare e non vedono l’ora di realizzare, come ha fatto per anni la fantascienza, i sogni degli essere umani a caccia di risposte, Ende ci ha dichiarato il suo amore per 2001 Odissea nello Spazio: “La colpa della mia passione per lo spazio è di Stanley Kubrick, che con Odissea Nello Spazio mi ha colpito quando ero un ragazzo”.

LHC E OLTRE, IL FUTURO DELLA FISICA

Siamo ancora all’inizio del programma di fisica di LHC, questi sono forse l’1% dei dati aspettati. Dovremo produrre ancora risultati molto più precisi sulle misure delle proprietà del bosone di Higgs, di altri particelle e fenomeni legati al modello standard della fisica delle particelle. Se siamo fortunati potremmo osservare nuovi fenomeni. Altrimenti uno può aspettare risultati interessanti nell’ambito della fisica dei neutrini, che sono particelle con delle proprietà ancora abbastanza sconosciute”, così Lenzi ci ha introdotto nella discussione sul futuro della fisica, oggi molti laboratori in giro per il mondo stanno proponendo progetti per la realizzazione di accelleratori, dal Japan Hosted International Linear Collider al maxi strumento proposto dal CERN da realizzare entro il 2040.

Sulla mancata conferma delle osservazioni Lenzi è stato chiaro: “I nuovi dati non confermano un modesto eccesso di eventi presente nel canale a due fotoni con i dati di LHC del 2015. Invece si vede un buon accordo fra dati e predizioni basate su fenomeni conosciuti, che suggeriscono che si trattava di una fluttuazione statistica”.

Certo, dopo il bosone di Higgs tutto è diverso e la fisica freme per nuove scoperte: “Il bosone di Higgs era il pezzo che mancava per completare il modello standard della fisica delle particelle, che include 3 su 4 interazioni fondamentali (solo la gravitazione non è inclusa) e tutte le particelle conosciute. È sicuramente stata una scoperta importantissima, risultato di molti anni di preparazione, sviluppo, operazioni e analisi per migliaia di scienziati, ingegneri, informatici e studenti. Allo stesso tempo, la scoperta non cambia il paradigma della fisica delle particelle.  Negli ultimi anni la comunità si è  concentrata sullo studio delle sue proprietà e sulla ricerca di nuovi fenomeni. Una deviazione delle proprietà rispetto alle predizione possono indicare che la teoria è incompleta e indicare come dovremo aspettarci a vedere nuovi effetti”.

Gli scienziati vogliono andare oltre e pieni della loro curiosità desiderano abbattere le frontiere dell’universo conosciuto.

Gianluigi Marsibilio

Crediti foto: (ESO / M. Kornmesser)

IL FUTURO DI LHC E DELLA FISICA, INTERVISTA A GUIDO TONELLI

Le scorse settimane vi avevamo parlato delle mancate scoperte di IceCube e LHC portandovi alcune reazioni della comunità scientifica, oggi, tramite l’intervista a Guido Tonelli, fisico del CERN, professore dell’Università di Pisa e ricercatore associato dell’INFN, parleremo ancora una volta delle conseguenze delle mancate scoperte, soprattutto quelle legate all’esperimento del CERN (LHC).

Per noi di Tra Scienza & Coscienza è stato un grande onore accogliere le dichiarazioni di uno dei più grandi ricercatori del nostro Paese, che ha ricevuto anche la Medaglia d’onore dal Presidente della Repubblica.

Il professor Tonelli proprio quest’anno ha pubblicato per Rizzoli il libro “La nascita imperfetta delle cose”.

– Nella comunità scientifica c’è delusione per la mancata conferma dei risultati di

LHC. Ma cosa significano realmente questi dati?

Vorrei correggere in parte la sua domanda. Quello che è avvenuto non è una mancata

conferma dei risultati di LHC, al contrario. Fa parte del nostro abituale meccanismo di

verifica scientifica dei risultati. Voglio ricordare che tutto è nato dall’ analisi dei dati del

2015. Due gruppi in ATLAS e CMS ricercavano segnali di particelle esotiche neutre che

decadono in due fotoni di alta massa invariante. Uno dei tanti studi di LHC, che

abitualmente non registrano nulla di rilevante; senonché questa volta, intorno a 750 GeV, è

comparsa una gobba che interrompeva l’ andamento regolare degli eventi di fondo. Un

piccolo eccesso, statisticamente poco significativo, troppo poco per essere sicuri che si

trattasse di una nuova particella. Tuttavia il fatto che fosse registrato sia da ATLAS che da

CMS ha scatenato la fantasia di molti. In particolare dei nostri amici teorici che hanno

pubblicato più di 500 articoli senza aspettare di sapere se l’anomalia si sarebbe

ripresentata anche nei nuovi dati. Fra i fisici sperimentali, invece, prevaleva lo scetticismo,

in parte per la nostra proverbiale prudenza, in parte per le molte perplessità che avevamo.

Nessuno di noi ha annunciato al mondo che avevamo visto una nuova particella. E

abbiamo fatto bene. Ormai ci sono pochi dubbi. Con tutta la statistica disponibile nel 2016

l’ “eccesso” che aveva generato tanto interesse l’ anno scorso è praticamente sparito.

Abbiamo avuto ragione a essere prudenti: si è trattato soltanto di una maligna fluttuazione

statistica.

– Questa delusione, forse eccessiva, rivela qualche problema nella comunicazione

delle rilevazioni? Come si fa una corretta divulgazione su uno strumento come

LHC?

Come dicevo, da parte dei fisici più esperti, che sono in trincea da molti anni, non c’è stata

nessuna delusione. Abbiamo visto più volte in passato anomalie a livello di tre deviazioni

standard che scomparivano non appena si raccoglievano nuovi dati. Anche questa volta è

successo qualcosa del genere e sono sicuro che vedremo questo tipo di situazioni anche

nel futuro. Sappiamo già che prima o poi una di queste anomalie sopravviverà a tutti i

controlli e, improvvisamente, crack, tutto cambierà. Il Modello Standard diventerà un caso

particolare, a bassa energia di una teoria più generale. Quella che chiamiamo la nuova

fisica. Dobbiamo abituarci a questa specie di ‘ottovolante’. Soprattutto i mass-media

devono accettare l’ idea che la scienza è fatta di lavoro paziente e rigoroso e che non

procede a colpi di annunci e di scoperte clamorose. Per parte nostra dobbiamo solo

mantenere la nostra proverbiale prudenza e continuare nel lavoro sistematico che stiamo

conducendo.

– Cos’è cambiato dopo il Bosone di Higgs ? È il momento di una rivoluzione nella

fisica?

È davvero cambiato tutto. La fisica non è più quella di prima. Ora possiamo ricostruire

davvero cosa è avvenuto, pochi istanti dopo il Big-Bang, quando questa strana particella,

così diversa da tutte le altre, si è installata nell’universo primordiale, occupandone perfino

gli angoli più remoti. È passato soltanto un centesimo di miliardesimo di secondo da

quando si è sviluppata questa fluttuazione quantistica del vuoto talmente speciale da

assumere subito, in un tempo ridicolmente piccolo, dimensioni macroscopiche; di colpo

succede qualcosa che deciderà il destino di quell’oggetto ancora incandescente per i

miliardi di anni a venire. In quel preciso momento, una miriade di bosoni di Higgs, che fino

a un istante prima viaggiavano alla velocità della luce, si condensano, cristallizzati per

sempre in un campo onnipresente. Il nuovo venuto cambia tutto. Rompe la perfettasimmetria che fino a quel momento imperava nell’ universo intero. Separa per sempre la

forza elettromagnetica da quella debole con cui aveva marciato a braccetto fino a poco

prima. Le particelle elementari, che rimangono come invischiate nel campo dell’Higgs, si

differenziano fra loro a seconda dell’intensità dell’interazione, e così facendo finiscono con

l’acquistare masse irrimediabilmente diverse. In un battito di ciglia tutto è cambiato, per

sempre. Grazie a questo sottile meccanismo la materia ha acquistato le caratteristiche che

ci sono così familiari. La specifica massa che hanno assunto gli elettroni permetterà loro di

orbitare stabilmente intorno a nuclei carichi e si potranno formare atomi e molecole. Così

si sono prodotte le enormi nebulose gassose da cui sono nate le prime stelle e poi le

galassie, e i pianeti e i sistemi solari fino ai primi organismi viventi, via via sempre più

complessi, per arrivare, in ultima istanza, fino a noi. Senza il vuoto elettrodebole, senza

questa sottile impalcatura che regge l’ enorme struttura materiale che chiamiamo universo,

tutto questo non sarebbe stato possibile.

Eccoci qua a riflettere su questa meraviglia. Le cose, tutte le cose, hanno acquistato la

loro specifica forma grazie a questa sottile imperfezione che ha rotto la simmetria perfetta

delle origini.

– Cosa dobbiamo aspettarci nei prossimi anni da LHC e da altri esperimenti?

Siamo molto orgogliosi del successo del Modello Standard ma siamo anche consapevoli

che esso non comprende particelle o forze responsabili della materia oscura o dell’energia

oscura. Non spiega la dinamica dell’ inflazione e non è capace di fornire un quadro

consistente per l’ unificazione delle interazioni fondamentali. Per non parlare del fatto che

non include la gravità. Sappiamo già che prima o poi saremo costretti ad abbandonare il

Modello Standard come teoria generale a favore di una nuova descrizione della natura, più

accurata e completa. La bellezza del nostro lavoro è che questo potrebbe accadere in

qualunque momento: potrebbe succedere la settimana prossima o, al contrario, può darsi

che ci sia da aspettare molto tempo. Potremmo avere una nuova grande scoperta ad LHC

o, forse, occorrerà costruire un nuovo e più potente acceleratore.

In quale direzione andrà la nuova fisica non lo sa nessuno. La natura potrebbe avere

scelto alcune delle strade che sono state ipotizzate, come la Supersimmetria o le Extra-

dimensioni, ma potrebbe anche avere imboccato dei sentieri assolutamente nuovi che

nessun teorico è riuscito ad immaginare.

Quello di cui sono certo e che, generazione dopo generazione, noi fisici non lasceremo

nulla di intentato per capire i misteri più profondi della materia e dell’ Universo.

Gianluigi Marsibilio

LHC E ICECUBE, UN NUOVO ORIZZONTE DOPO LA DELUSIONE

Due docce fredde per i fisici sono arrivate in settimana. La prima arriva da LHC: i dati da urlo arrivati a dicembre si dimostrano essere delle fluttuazioni statistiche del rilevatore e non vengono confermati. La seconda è ancora più gelata vista la provenienza: IceCube (l’osservatorio immerso nei ghiacci antartici) non ha rilevato niente di nuovo sul “Neutrino Sterile”.

Oggi vogliamo concentrarci sui risultati di quest’ultimo esperimento, pur non trascurando le novità provenienti da LHC, e attraverso le parole di un protagonista appartenente allo staff di IceCube mostreremo come i risultati siano tutt’altro che catastrofici.

La caccia a questa particella va avanti da decenni: a Los Alamos, nel 1990, attraverso una rilevazione anomala si ipotizzò la presenza di questo neutrino, chiamato così per l’incapacità di interagire con la materia.

Delle proprietà scientifiche di questa particella abbiamo parlato con David Jason Koskinen, assistente professore di fisica teorica e cosmologia alla Niels Bohr International Academy, lo scienziato danese ha collaborato alla stesura dei risultati di IceCube pubblicati da Physical Review Letters.

“Ci sono differenti modelli e ipotesi sulle proprietà del neutrino sterile. Alcuni modelli presentano questa particella come più pesante o simile in massa al protone, mentre altre teorie hanno neutrini sterili piuttosto leggeri, ad esempio 50000 volte più leggero rispetto dell’elettrone. I risultati di IceCube hanno soltanto provato il tipo di massa inferiore per il neutrino sterile. La ricerca di neutrini pesanti è in gran parte motivata perché a ~ 1 energie keV (1000 elettronvolt) un neutrino sterile potrebbe essere un candidato per lo studio della materia oscura fredda che compone ~ 25% dell’energia dell’universo. Ad 1 GeV (1×10 ^ 9 volt di elettroni) di massa, un neutrino sterile sarebbe un candidato per la produzione di una piccola differenza nel rapporto materia / antimateria nell’universo”.

I risultati dello strumento sono inequivocabili: “Indeboliscono la possibilità circa l’esistenza di un neutrino sterile volto a spiegare alcune anomalie provenienti dagli altri esperimenti sull’oscillazione del neutrino”.

L’importanza di questa tipologia di neutrino ci è stata testimoniata anche da Joseph Formaggio, professore associato di fisica all’MIT di Boston: “Confermando l’esistenza del neutrino sterile ci sarebbe un capovolgimento della nostra comprensione della fisica delle particelle. Al contrario, la mancanza di questa particella sarebbe una testimonianza della solidità del nostro modello sulle particelle sub – atomiche. La ricerca sperimentale per lo studio di queste nuove particelle è molto importante se vogliamo comprendere la validità dei nostri modelli di fisica”.

I teorici si aspettavano un dato nettamente opposto al “non-risultato”ottenuto, dato che i valori anomali nel modello standard sono spiegabili con l’aggiunta di questa particella.

IceCube ha analizzato migliaia di neutrini arrivati a collidere con il rilevatore sotto i ghiacci dopo essere entrati nell’atmosfera.

La scelta di posizionare uno strumento in quest’ambiente dipende dalla possibilità di suscitare eventi di collisione tra i neutrini e gli atomi che compongono il ghiaccio antartico, questi scontri rivelerebbero altre particelle osservabili con gli strumenti di IceCube. I dati raccolti serviranno anche a scoprire misteri legati all’origine dei raggi cosmici, della supersimmetria, delle particelle massicce debolmente interagenti (WIMP).

STORIA DELLA CACCIA AI NEUTRINI

Ad oggi in natura si conoscono tre tipologie di neutrino: elettronico, muonico e tauonico, moltissimi sono gli esperimenti che stanno lavorando su questa tipologia di particelle.

I neutrini, secondo i primi approcci teorici, furono immaginati senza alcuna massa. La scoperta dell’esistenza dei tre tipi di neutrino nel 1998 cambiò il panorama teorico intorno alle particelle. Data la loro oscillazione si evinse che le particelle avevano una massa, e ai due scienziati, Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, nel 2015 toccò il premio Nobel per la Fisica grazie alla scoperta. Il primo a ipotizzare il fenomeno dell’oscillazione fu il fisico italiano Bruno Pontercorvo nella seconda metà degli anni ’50. Il panorama attuale sta speculando molto sulla fisica neutrinica, in particolare sono molteplici le ricerche sui neutrini sterili, chiamati così per l’incapacità di interagire con la materia.

L’importanza di questa tipologia di particella è dovuta al fatto che molti teorici la identificano come un passo importante per capire l’origine della massa del neutrino.

I risultati raccolti da LHC e da IceCube sono comunque utili: “Non vedo i risultati di IceCube come nulli, nemmeno i risultati provenienti dal Cern sono una completa delusione. L’universo è sorprendente e continua ad avere un numero incredibilmente vasto di domande ancora senza risposta per l’umanità, potrebbe essere deludente che le belle macchine  costruite non sono l’accesso a tutti i nuovi misteri della fisica , ma questo significa solo che tutto ciò che è là fuori ( materia oscura , nuove particelle , ecc ) è potenzialmente più esotico di ciò che siamo stati in grado di pensare”.

Forse, come ci ha anche ricordato il fisico del Niels Bohr Institute, esiste la teoria giusta ma non ancora è stata imboccata la direzione esatta nelle sperimentazioni.

Gli errori per gli scienziati hanno sempre rappresentato una sorta di benedizione, infatti: “ I due risultati migliorano in modo inequivocabile la ricerca scientifica. L’ignoranza è una cosa terribile, e quindi escludendo le anomalie come le firme della nuova fisica si può salvare i ricercatori internazionali da un sacco di tempo sprecato dedicato nella caccia a questi fantasmi”.

Anche il fisico dell’MIT è stato chiaro riguardo i risultati dei due esperimenti: “Sia l’LHC che le misure recenti di IceCube dimostrano l’importanza di osservare. Anche senza trovare qualcosa di enorme valore”. Tuttavia il fisico sperimentale è più positivo sul futuro della caccia al neutrino sterile: “C’è una serie di esperimenti esistenti e in fase di sviluppo in tutto il mondo, che può  cercare il neutrino sterile ( DUNE negli Stati Uniti , SOX in Italia , Prospect negli Stati Uniti , solo per citarne alcuni). La ricerca continua!”.

Di esperimenti a caccia di neutrini, in particolare di quelli sterili, c’è ne sono in costruzione in ogni angolo del pianeta. Tempo fa vi avevamo parlato di Hyper-Kamiokande, anche a Daya Bay si cercano, e come ci ha spiegato Koskinen: “Vi è una proposta di esperimento , il “Search for Hidden Particles” (SHiP) progettato per essere costruito al CERN , con l’obiettivo di esplorare un tale classe di neutrini sterili pesanti”.

La prospettiva più chiara venuta fuori da queste due apparenti delusioni è quella di continuare la ricerca: “Trovare quello che stai cercando a volte può essere la fine del viaggio, ma non rintracciare quello che stai cercando porterà a trovare qualcosa di nuovo”, ovviamente noi insieme a tutta la comunità scientifica siamo pronti.

Gianluigi Marsibilio

Crediti foto: Erik Beiser, IceCube / NSF

POKÉMON GO, I CENTRI DI RICERCA NASCONDONO LE LORO SORPRESE

Tutti ne hanno sentito parlare in questi giorni, è scoppiata la mania Pokémon GO. Le azioni della Nintendo sono schizzate come non mai, alcuni punti d’interesse e monumenti storici sono diventati centri di ritrovo per allenatori di Pokémon che si incontrano e scambiano informazioni su come catturare questi animali fantastici.

Science nella giornata di ieri ha fatto un piccolo riepilogo sulle informazioni legate a luoghi dedicati alla scienza in cui sono stati trovati Pokemon o si trovano punti strategici.

Al Johnson Space Center sono stati avvistati vari Pokemon e sono stati individuati, intorno al leggendario centro NASA, oltre 18 Pokestop.

Al Mathias Lab dello Smithsonian anche i ricercatori non hanno saputo resistere a giocare con l’applicazione e hanno scoperto ben presto di essere sotto assedio da vari Pokemon; tutto questo è stato documentato sull’account Twitter dei laboratori.

Nel Jet Propulsion Laboratory della NASA si nasconde una palestra Pokémon in cui i videogiocatori possono allenare i propri mostri prima di combattere con altri utenti.

A UCLA (Università della California, Los Angeles), luogo in cui internet cominciò la sua avventura, sono stati trovati svariati Pokemon nei pressi della prima macchina che lanciò il primo messaggio sul web.

È possibile anche che al CERN, precisamente tra i tunnel di LHC, si aggirano animaletti pronti ad essere catturati, tuttavia per ora i giocatori fanno sapere che il laboratorio svizzero è un pokestop, precisamente l’esperimento ATLAS.

Sei persone che però si possono definire fuori dal mondo, non possono catturare Pokemon: questi sono gli astronauti sulla ISS. L’altro giorno un utente ha chiesto su Twitter se sulla Stazione Spaziale fosse possibile giocare a Pokémon Go, gli astronauti hanno risposto che non è possibile usare questa applicazione a bordo del laboratorio in orbita.

Oggi l’applicazione, per chi non l’avesse già scaricata in maniera più o meno illecita, potrebbe essere lanciata nel nostro Paese, sicuramente anche nei nostri centri di ricerca e laboratori non mancheranno Pokémon, siamo quindi pronti a ricevere le vostre segnalazioni, per il resto: “Gotta catchem al”.

Gianluigi Marsibilio

NEUTRINI, HYPER-KAMIOKANDE E LE PORTE VERSO UNA NUOVA FISICA

Hyper-Kamiokande, upgrade di Super- Kamiokande, è in fase di sviluppo: il suo obiettivo è quello di andare oltre la scoperta dell’oscillazione del neutrino. L’Università di Tokyo e i ricercatori di tutto il mondo sono pronti ad andare a vedere cosa c’è oltre la barriera delle conoscenze attuali.

 

Il Super-Kamiokande è costituito da 1000 tubi fotomoltiplicatori installati intorno alla parete di un serbatoio colmo di 3.000 tonnellate di acqua purificata. Tutto questo si trova in un laboratorio dove precedentemente era situata una miniera di zinco, la prefettura di cui fa parte è quella di Gifu, nel Giappone centrale.

Il 23 febbraio 1987 alle ore 07:35 GMT, Kamiokande aveva rilevato 11 neutrini provenienti da una supernova rilevata nella Grande Nube di Magellano (SN1987A). Masatoshi Koshiba, ora professore emerito dell’Università di Tokio, nel 2002 proprio grazie a questo progetto ha ricevuto il premio Nobel.

La registrazione dei neutrini avvenuta durante l’esplosione della Supernova ha confermato le previsioni teoriche. Deflagrazioni di questa potenza si verificano nelle stelle che hanno una massa tra le 8 e le dieci volte superiore a quella del sole. Il grande merito di Koshiba, nella riuscita dell’esperimento, è stato quello di aver modificato le caratteristiche per ridurre il rumore di fondo dei neutrini a circa un millesimo di quello originale. Alcuni mesi dopo la cattura dei neutrini solari, sono stati rilevati neutrini provenienti dalla Grande Nube di Magellano.

Il Kamiokande si è concentrato anche su un altro tipo di neutrino che proviene dall’interazione tra i raggi cosmici con l’atmsofera: i neutrini atmosferici. Questi neutrini, elettronici e muonici, erano considerati come parte dello studio per la decadenza del protone: intorno alla fine degli anni 80 il gruppo di ricerca aveva trovato delle disparità tra le teorie e le osservazioni e tutto questo aveva portato a scoprire l’oscillazione dei neutrini.

I neutrini e i tre tipi di oscillazioni

Ad oggi in natura si conoscono tre tipologie di neutrino: elettronico, muonico e tauonico, moltissimi sono gli esperimenti che stanno lavorando su questa tipologia di particelle.

I neutrini, secondo i primi approcci teorici, furono immaginati senza alcuna massa. La scoperta dell’esistenza dei tre tipi di neutrino, nel 1998, cambiò il panorama teorico intorno alle particelle. Data la loro oscillazione si evinse che le particelle avevano una massa e i due scienziati Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, furono insigniti del premio Nobel per la Fisica 2015 grazie a questa scoperta.

Parlando delle novità di Hyper-Kamiokande, il nuovo strumento sarà 25 volte più grande del suo predecessore: l’obiettivo di questo gigante della fisica sarà indagare intorno alle rotture di simmetria tra materia e antimateria, i progetti di questo tipo si stanno coordinando anche in Europa e Stati Uniti, proprio come alcune settimane fa vi avevamo parlato degli esperimenti in costruzione in corso al FermiLab negli USA.
Dopo esserci occupati per settimane di Astro-H, siamo tornati in Giappone, un po’ perchè eravamo rimasti delusi dalla vicenda del satellite Hitomi, ma anche perchè nei prossimi anni Hyper-Kamiokande farà parlare di sè e delle sue scoperte che, secondo gli scienziati curatori del progetto, riusciranno a cambiare gli orizzonti della fisica.

Gianluigi Marsibilio

 

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