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tra Scienza & Coscienza

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Ginevra

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

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

LHC, SEGNALI PER UNA NUOVA FISICA O SEMPLICI ANOMALIE?

Gli esperimenti ATLAS e CMS del LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra hanno evidenziato alcune anomalie nella produzione di coppie di fotoni. I dati hanno rivelato un probabile bosone, se la particella si rivelasse esistente risulterebbe 9 volte più massiva del quark top, la più massiva particella elementare scoperta fino ad oggi, e 12 volte più massiva del bosone di Higgs. Le ipotesi sono due: o si tratta di una nuova particella che rivoluzionerà per sempre la fisica, oppure i dati sono frutto di errori statistici compiuti dai rilevatori. Il fattore più importante è: tutti e due gli esperimenti del CERN hanno mostrato queste stranezze.

LHC è ripartito all’inizio dell’estate, da allora, come ha detto Marco Delmastro su ”Le Scienze”: “molti di noi hanno dormito davvero poco nelle ultime settimane”. L’obiettivo era presentare nel seminario del 15 dicembre dei dati che lasciassero intravedere nuove prospettive.

Gli esperimenti cercano di rivelare particelle instabili che decadano in particelle già conosciute; i fisici cercano di ampliare la comprensione del modello standard che davanti a problemi come quello della materia oscura si blocca. Una delle teorie più accreditate e studiate dai fisici è quella della super-simmetria e la conferma di questi dati porterebbe ad un buon avanzamento di questa ipotesi.

Da marzo a oggi al CERN sono avvenute collisioni alla velocità di 13 TeV, in passato gli scontri si realizzavano con un’energia pari a 8TeV (teraelettronvolt). Questa unità di misura è un multiplo dell’elettronvolt ed equivale a 1.000 miliardi di eV.

Il collisore di particelle è costato circa 10 miliardi di dollari, il suo scopo è quello di far scontrare particelle in un tunnel di 27 chilometri ad una velocità del 99,9999991% rispetto a quella della luce, oltre 3000 fisici lavorano ai vari esperimenti e da quando sono stati riavviati i lavori, tutti sono alla ricerca di nuove rilevazioni che dovrebbero rivoluzionare la comprensione della nostra realtà, proprio per questo la Dott.ssa Spiropulu, ricercatrice del CERN, ha detto: “Stiamo entrando in un’era dove sarà necessario fare un salto nel buio”.

 

Gianluigi Marsibilio

“SETTE GIORNI DI SCIENZA”: DALLA COP21 AL MAUNA KEA

“Da qualche parte, qualcosa di incredibile è in attesa di essere scoperto” così Carl Sagan parlava della realtà della ricerca scientifica. Se qualcosa di incredibile viene scoperto sta a noi il piacere di poterlo raccontare. ”Tra scienza e coscienza” apre: ”Sette giorni di Scienza”, dove verrà offerto ai nostri lettori un riepilogo degli eventi, scoperte e personaggi che hanno aggiunto, nelle giornate appena trascorse, un nuovo tassello alla conoscenza umana.

 

Sette giorni di scienza (27 novembre – 4 dicembre)

La settimana è stata sicuramente segnata dalla Cop21 in corso a Parigi, le ricerche pubblicate e i temi trattati dai media di tutto il mondo si sono concentrati sul tema dell’ambiente.

Un annuncio rilevante sull’argomento è stato dato dal governo brasiliano.

Il ministro dell’ambiente Izabella Teixeira, ha presentato i dati sulla foresta Amazzonica. Dallo scorso anno si è avuto un incremento di un tasso del 16% sulla deforestazione legale, le attività legate a questo fenomeno sono principalmente agricoltura e allevamenti. Anche se sono stati perduti oltre 5.000 chilometri quadrati di area verde, il governo federale ha evidenziato che gli sforzi fatti hanno portato il tasso di deforestazione ad 1/5 rispetto al 2004.

Non solo problemi ambientali e climatici, ampio spazio è stato dato ai rilevamenti fatti dagli esperimenti del CERN. Per la prima volta due ioni molto pesanti si sono scontrati tra loro nei laboratori svizzeri.

LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra ha cominciato un nuovo ciclo di collisioni all’energia record di 13.000 miliardi di elettronvolt (TeV) due ioni pesanti di Piombo. Da mesi si cercava di far arrivare il macchinario a questa collisione, ora per circa un mese si raccoglieranno dati sugli scontri di queste particelle. Con questi nuovi dati saremo capaci di vedere la materia ad uno ”stadio molto precoce dell’Universo” come ha affermato Rolf Heuer, direttore generale del CERN.

L’Italia in ”Sette Giorni di Scienza” entra grazie alla decisione del governo di destinare l’area di Expo2015 ad un polo di ricerca, creando un fondo di circa 80 milioni di Euro. “Human Technopole. Italy 2040”, è questo il nome del centro che occuperà le aree dell’esposizione universale, sarà guidato dall’Istituto Italiano di Tecnologia e coinvolgerà oltre 1000 ricercatori. In questo polo si investirà su nanotecnologie, ricerche farmaceutiche e tanto altro, i progetti e le iniziative non ancora sono del tutto svelate e chiare.

L’evento scientifico della settimana è stato sicuramente la partenza di Lisa dalla Guyana francese, il satellite sarà fondamentale per la conferma delle onde gravitazionali previste dalla teoria della relatività di Einstein. In questo progetto l’aiuto dell’ASI e di altre realtà italiane come Selex e Avio è stato imprescindibile.

L’ultima notizia della settimana viene dalle lontane Hawaii: è stato rescisso dalla Corte Suprema il permesso per la costruzione del ”Thirty Meter Telescope”. L’edificazione era prevista sul Mauna Kea e aveva il compito di studiare i pianeti intorno ai sistemi extrasolari, ma per il momento pare che il progetto dell’Università della California non sia destinato a decollare.

Gianluigi Marsibilio

(Qui) il link per vedere il lancio del satellite LISA, partito grazie al razzo Vega

 

UN NUOVO IDENTIKIT, PIU’ PRECISO, DEL BOSONE DI HIGGS

Grazie a recenti studi si è ottenuta misura più precisa della massa del bosone di Higgs

E’ stato ottenuto l’identikit più preciso del bosone di Higgs e indica che la particella grazie alla quale ogni cosa ha una massa somiglia moltissimo a quella prevista dalla teoria di riferimento della fisica contemporanea, il Modello Standard. Il risultato, annunciato dal Cern di Ginevra, è stato ottenuto combinando i dati raccolti dagli esperimenti che nel 2012 hanno permesso di scoprire la particella, Atlas e Cms, entrambi condotti nell’acceleratore più grande del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc).

Solo nel maggio 2015 la combinazione dei dati dei due grandi esperimenti, ad ognuno dei quali collaborano circa 2.000 persone, aveva fornito la misura più precisa della massa del bosone di Higgs. I nuovi dati descrivono adesso come il bosone di Higgs interagisce con le altre particelle. ”Combinare i dati dei due esperimenti permette un altissimo livello di precisione, per raggiungere il quale un unico test avrebbe richiesto almeno altri due anni di lavoro”, ha osservato il direttore generale del Cern, Rolf Heuer. Combinare i dati dei due esperimenti è stato un lavoro enorme, nel quale sono stati analizzati oltre 4.200 parametri”, ha detto il responsabile dell’esperimento Cms, Tiziano Camporesi.

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”Combinare i dati di due esperimenti sembra facile, ma non è affatto banale – ha spiegato il vicepresidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), Antonio Masiero – perché ognuno di essi ha risultati ottenuti da rivelatori diversi e con differenti gradi di precisione”. L’identikit del bosone di Higgs, ha detto ancora Masiero, ”è un bel risultato, che conferma i valori indicati dal Modello Standard”.

Non c’è quindi, al momento, nessuna traccia della cosiddetta ‘nuova fisica’, ossia di fenomeni in contraddizione con la teoria di riferimento. Ma è anche vero che il bello comincia adesso. I dati finora analizzati si riferiscono infatti alle misure prese quando l’acceleratore funzionava ad un’energia più bassa: 7.000 miliardi di elettronvolt (7 TeV) contro gli attuali 13 TeV. ”Sarà interessante – ha osservato Masiero – vedere se l’identikit del bosone di Higgs sarà confermato anche dai nuovi dati raccolti a questa energia più elevata”.

(Fonte ANSA)

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