Intervista a un antimatteriano

Gli antimatteriani (Antimatterians in inglese) sono un gruppo di persone che ha scelto di cibarsi esclusivamente di antimateria. Questa nuova dieta è particolarmente diffusa tra le nuove generazioni di fisici e si sta estendendo agli studiosi delle materie scientifiche. Abbiamo voluto intervistare una di queste persone, senza pregiudizi, per capire pro e contro di questa scelta di vita. 

Quando nasce l’antimatterianesimo? In cosa consiste.

È una dieta sviluppatasi nell’università di Berkeley alla fine degli anni ’90 e – come dice il termine – consiste nel nutrirsi solo di antiparticelle e antimateria. È la forma più nobile ed efficiente di cibo perché l’antimateria viene convertita completamente in energia nel nostro stomaco, anzi addirittura nella nostra bocca! In questa maniera non vi sono scorie o scarti e il nostro corpo è quindi naturalmente libero da tossine. Pensate: se una reazione chimica, quelle solite del cibo di ‘materia’, fornisce un’energia pari a 1, quella delle reazioni nucleari fornisce un’energia milioni di volte superiore, ma quella dell’antimateria è miliardi di volte più grande. In sostanza noi diciamo BASTA al cannibalismo in cui materia mangia materia.

 Ma dove trovate l’antimateria e le antiparticelle?

Innanzitutto ci teniamo a dire che la produzione è equa e solidale. Equa perché per ogni grammo di antimateria prodotta produciamo un grammo di materia, quindi noi rifuggiamo tutte le forme di produzione che violano CP, ossia l’inversione di carica e parità che non è rispettata nelle interazioni deboli. Inoltre è solidale perché tutta l’antimateria viene prodotta negli acceleratori locali di particelle e lì distribuita nelle vicinanze. Ci sono ovviamente le grandi distribuzioni come LHC a Ginevra, ma ad esempio in area romana ci riforniamo all’acceleratore Daphne dei laboratori INFN di Frascati, dove peraltro è avvenuta la prima collisione materia – antimateria (positroni e elettroni) al mondo.

 E per chi vive lontano da un acceleratore di particelle?

Ci sono anche le macchine medicali: ad esempio la PET Positron Emission Tomography, utilizzata per la diagnostica di tumori, la notte viene sfruttata per produrre antiparticelle a basso costo. Inoltre ci sono anche gli antimatteriani atmosferici. In quel caso si tratta di una dieta a base di muoni prodotti dall’interazione di particelle nell’atmosfera. Ovviamente i muoni positivi sono separati da quelli negativi con un apposito magnete che permette di selezionarli correttamente.

 E per i neutrini come fate?

Quello è un problema, in realtà le devo confessare che ci si divide in antimatteriani ortodossi, che aspettano di capire se il neutrino è una particella di Majorana, ossia la sua stessa antiparticella (e quindi non andrebbe mangiata) e in quelli non ortodossi che se ne nutrono senza problemi.

 Veniamo ora alle critiche a questa dieta: c’è chi vi accusa anche di cibarvi di cervelli positronici dei robot di Asimov.

Questa è una calunnia. Sono falsità messe in giro da chi non accetta il nostro stile di vita. Per quanto gustosi, succosi e saporiti i cervelli positronici possano risultare, nessuno di noi se ne ciberebbe. Almeno non finché l’automa è attivo.

 E chi vi accusa di aver svuotato la fascia di antiprotoni intorno alla terra?

In quel caso ne rivendichiamo l’atto: gli antiprotoni sono di chi se li prende,  del resto non è che esista ancora l’Enterprise che li potrebbe usare. Anzi, le dirò di più: abbiamo in programma una missione su Giove per prendere gli antiprotoni in quella magnetosfera, sono milioni di volte più abbondanti.

 La ringrazio del suo tempo e della sua collaborazione.

Sono io a doverla ringraziare. Mi scusi se non le dò la mano, ma l’esplosione spazzerebbe via mezzo continente.

(originariamente pubblicato su scientificast)

L'esperimento spaziale PAMELA compie dieci anni

In questi giorni l’esperimento spaziale PAMELA (in cui lavoro)  ha compiuto dieci anni.
Il lancio (qui il video)  dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo di Yuri Gagarin.
Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m, è alloggiato in un contenitore pressurizzato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti allo studio dei raggi cosmici, ossia elettroni, protoni e nuclei presenti nella nostra galassia.

Alcuni raggi cosmici osservati con PAMELA. Sinistra:Elettrone (0.171 MeV). La particella entra dall’alto della figura colpendo due barre dello scintillatore posto in cima (S1) e sopra il magnete (S2). La sua traiettoria - curvata dalla presenza del campo magnetico - è rivelata dalle microstrip al silicio del tracker. La particella interagisce successivamente con lo scintillatore di fondo (S3) prima di essere assorbita dal calorimetro tracciante al silicio tungsteno. Centro: Positrone di 0.169 MeV. Le interazioni con l’apparato sono le stesse quelle dell’evento precedente ma la curvatura è nel verso opposto. Destra: un protone di 36 GeV. La sua alta energia fa sì che la curvatura nel magnete sia molto ridotta. È visibile lo sciame adronico prodotto dall’interazione con il calorimetro, la carica rilasciata nello scintillatore di coda (S4) ed i neutroni prodotti nello sciame e rivelati nel rivelatore di neutroni.

Nel corso dei suoi primi dieci anni di vita PAMELA ha fornito dati di estrema precisione che hanno mutato la nostre conoscenze sulla fisica dei raggi cosmici, galattici, solari e intrappolati intorno alla terra (qui i risultati principali su Nature, Science, Physical review letters).

Tra le varie scoperte citiamo quella di una fascia di antiprotoni intrappolata intorno alla terra. Gli antiprotoni, identici ai protoni ma con carica opposta, sono prodotti negli urti dei raggi cosmici primari con l’atmosfera terrestre e rimangono poi intrappolati nel campo geomagnetico. Purtroppo le quantità di antimateria sono troppo piccole per sfruttarle come forma di energia e meno che mai per realizzare una bomba (senza contare che i metodi di confinamento per una bomba di antimateria sono ben oltre le nostre possibilità tecniche ed energetiche).

Tra gli altri risultati vi è la misura della componente di antimateria, antiprotoni e positroni, presente nei raggi cosmici. L'importanza di questa misura risiede nella possibilità di rivelare la presenza indiretta di materia oscura. 

Produzione di antiprotoni nel mezzo interstellare o in prossimità della terr . I protoni relativistici, accelerati nell'esplosione di supernovae, urtano con quelli in quiete della polvere galattica o con gli strati superiori della nostra atmosfera. Dalla collisione viene prodotto un antiprotone ed un protone (per conservazione della carica e del numero barionico).

Le misure di PAMELA, pubblicate su Nature nel 2009  (Nature 458, 607-609 (2009), una copia è disponibile qui), hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100 GeV. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi sulla natura di questo aumento inaspettato (confermato negli da altri esperimenti come FERMI  e AMS che ha leggermente esteso l’intervallo energetico) di positroni di alta energia. La più interessante è che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come le pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Possibile produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura.

Cos'è l'equazione di Dirac

L'equazione di Dirac incisa sul pavimento dell’abbazia di Westminster (da wiki).

L’equazione di Dirac rappresenta, nel linguaggio  della meccanica quantistica, l’energia di una particella elementare. È utilizzabile per particelle di spin ½, come ad esempio gli elettroni e i quark e fu formulata per la prima volta nel 1928 dall’allora venticinquenne Paul Dirac.

Nel mondo microscopico non è possibile parlare di posizione e velocità delle particelle ma è necessario descriverne il comportamento tramite una funzione d’onda (secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg).

9 anni di PAMELA nello spazio

Il 15 Giugno 2006 il satellite Resurs-DK1 venne lanciato dal cosmodromo spaziale di Baikonur, utilizzando un razzo Soyuz simile a quello utilizzato per mandare gli astronauti sulla stazione spaziale internazionale. A bordo, anche l'apparato PAMELA, uno strumento realizzato da una collaborazione internazionale di ricercatori russi, italiani (tra cui il sottoscritto), svedesi e tedeschi.
Nel corso di questi 9 anni, PAMELA ha misurato con precisione la componente di particelle ed antiparticelle nei raggi cosmici, scoprendo  - tra l'altro - una fascia di antiprotoni intorno al nostro pianeta (PRL2011), un incremento di positroni galattici (Nature 2010), e un aumento anomalo del flusso di elio rispetto a quello di protoni (Science 2011). In questi nove anni è stato possibile anche studiare varie eruzioni solari e la struttura magnetica del sistema solare.
Tanti auguri Pamela e - di nuovo - grazie di tutto!

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). 

Misure delle abbondanze  delle varie particelle presenti nei raggi cosmici effettuate da PAMELA.

Buon Compleanno Pamela! Otto anni nello spazio, tra raggi cosmici, antimateria, ed eruzioni solari

Oggi   PAMELA compie otto anni.

Il lancio dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA sulla rampa di lancio,  cosmodromo spaziale di Baikonur, Kazakistan 

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   alloggiato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti alla determinazione del   tipo  ed energia  dei raggi cosmici, (elettroni, protoni, nuclei), con particolare riguardo alla  componente di antimateria,  ad energie e  con  precisioni   sino ad ora mai raggiunte con misure dirette.

Nel corso dei primi otto anni di vita PAMELA ha fornito dati rivoluzionari per la fisica dei raggi cosmici, la componente di antimateria nello spazio (persino intorno alla terra) e la ricerca indiretta di materia oscura. I risultati sono stati pubblicati su Nature, Science, Physical review letters....

L'unico rammarico è che a otto anni dal lancio tutti i dottorandi, post-doc e ricercatori a tempo determinato che hanno lavorato sulla costruzione e l'analisi dati dello strumento sono rimasti precari,  anche perché curiosamente ignorati nei rari concorsi di università ed enti di ricerca intercorsi da allora. 

Buon compleanno PAMELA, e grazie di tutto!

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). E’ possibile distinguere le tre strutture di scintillatori del tempo di volo (S1, S2, S3), utilizzati per la determinazione della velocità e carica delle particelle. Le anticoincidenze (AC) poste intorno all’apparato consentono di eliminare eventi non validi provenienti dai lati;  lo spettrometro magnetico (TRK) è collocato tra i due scintillatori S2 ed S3, mentre il calorimetro silicio tungsteno (CALO), lo scintillatore di coda (S4) ed il rivelatore di neutroni (ND) vengono utilizzati per determinare la natura (leptone o adrone) dell’evento, e la  sua energia (nel caso di elettroni/positroni).

Nuova produzione di antimateria, ma siamo ancora lontani dall’Enterprise

È di queste ore l'annuncio della creazione di un fascio di antimateria stabile al CERN da parte dell'esperimento Asacusa. Come suggerisce il nome, un gioco di parole con uno dei maggiori templi di Tokyo, Asakusa (lett. bassa erba) l'esperimento è diretto da un giapponese,Yasunori Yamazaki del RIKEN, ma si avvale della collaborazione di scienziati di tutto il mondo.

Siamo lontani anni luce dalle fesserie farneticate in "Angeli e Demoni" e anche dai motori dell'Enterprise, ma questi studi aprono scenari forse ancora più importanti per lo studio della fisica fondamentale.

Cos'è l'antimateria?

Le antiparticelle sono quasi identiche alle particelle di materia normale: la principale differenza è che hanno carica elettrica opposta. Quando una particella si scontra con un'antiparticella si ha la totale conversione in energia, producendo alcuni raggi gamma. Questo fenomeno è usato quotidianamente nella PET (Positron Emission Tomography) per la diagnostica di tumori.

Che ha di particolare questo esperimento?

Si parla di antimateria e non di antiparticelle perché è un fascio di anti-atomi di (anti)idrogeno, ossia un antiprotone (negativo) intorno al quale orbita un positrone (positivo), mentre gli atomi di idrogeno ordinario sono formati da un protone (positivo) e un elettrone (negativo). Il fatto di essere elettricamente neutri e a temperature molto vicine allo zero assoluto permette al gruppo di atomi di restare in vita per un periodo molto lungo e studiare in dettaglio le proprietà di questo sistema.

[continua a leggere su scientificast]

AMS-02 conferma i dati di PAMELA... e li estende ad una energia un po' più alta

(here in english)

PAMELA è uno spettrometro magnetico lanciato più di 6 anni fa a bordo del satellite russo Resurs-DK1. Dal 2006 sta fornendo dati di alta precisione su raggi cosmici di origine solare, galattica ed intrappolata nel campo geomagnetico. 

Il principale risultato è quello della misura della componente di antimateria, antiprotoni e positroni, presente nei raggi cosmici. L'importanza di questa misura risiede nella possibilità di rivelare la presenza indiretta di materia oscura. 

Possibile produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura.

Le misure di PAMELA, pubblicate su Nature nel 2009 (Nature 458, 607-609 (2009) una copia è disponibile qui),  hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100 GeV, energia mai raggiunta precedentemente. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi (varie centinaia in più 1000 articoli!) sulla natura di questo aumento inaspettato di positroni di alta energia la più interessante è appunto quella che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Misura del rapporto positrone/(positroni + elettroni) (alto) e antiprotone/protone (basso) misurato da PAMELA. La misura del rapporto consente di ottenere una misura più precisa, riducendo gli effetti strumentali. Si noti la rarità delle antiparticelle rispetto alle particelle. La componente di antiprotoni risulta coerente con le varie ipotesi sulla interazione di raggi cosmici nel mezzo interstellare (curve continue e tratteggiate) , mentre quella di positroni mostra un eccesso inaspettato sopra 10 GeV. La curva in nero mostra il contributo atteso in assenza di contributi anomali, mentre la curva in verde ipotizza il contributo di una particella di materia oscura, che – annichilandosi – produce un eccesso di positroni. La curva blu mostra una stima del possibile contributo dovuto a Pulsar.  

I risultati di AMS confrontati con quelli di PAMELA e GLAST
(da qui)

E' quindi piacevole (e tranquillizzante....) avere una ulteriore conferma delle misure di PAMELA del 2009. Una prima conferma è arrivata con il satellite FERMI/GLAST nel 2011 (qui il preprint, qui una spiegazione del metodo di misura) che ha esteso l'intevallo energetico.
Le misure indipendenti di AMS, presentate da Sam Ting al Cern il 3 aprile (qui il comunicato stampa), qui un ottimo intervento di Roberto Battiston,  mostrano infatti un ottimo accordo con quelle di PAMELA. La maggiore grandezza di AMS consente di avere un numero maggiore di positroni e dunque un minore errore statistico. A basse energie la differenza è dovuta alla modulazione solare. A più alte energie sembrerebbe che il rapporto positroni/elettroni tenda verso un valore costante (e più basso di quello di GLAST), indice che  il meccanismo di produzione di positroni, qualunque esso sia, stia andando verso un valore costante. Purtroppo non sono evidenti strutture (con molta fantasia qualcosa a 100 GeV) che possano fare pensare all'annichiliazione di materia oscura.

Questo primo risultato mostra le potenzialità di AMS, lo strumento di punta della Stazione Spaziale Internazionale e fa ben sperare per il proseguimento della missione. 

Sarà interessante vedere se i risultati di AMS sugli antiprotoni confermeranno - come plausibile attendersi - quelli di PAMELA. 

Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

Particelle ed antiparticelle
del modello standard.
 Immagine da qui

L'apparente universalità delle leggi della fisica  nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.

Questi apparenti paradossi - al momento irrisolti - sono  oggetto di ricerca da svariati decenni sia dal punto di vista teorico che sperimentale, senza che però si sia riusciti a compiere  significativi progressi.  

1. Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso. 

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano infatti una simmetria tra materia ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevedebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo appare costituito da sola materia:  infatti se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma dell'annichilazione. 

Il Big Bang ha avuto una fase
di espansione rapidissima.
Immagine da qui

Pertanto le  le  leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato ad esser valide solo dopo un certo tempo dal Big Bang.  Quali leggi più generali e ancora ignote erano valide prima? Come hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Nesssuno ne ha la più pallida idea. 

Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967  tre eventi che si devono esser verificati in passato per portare alla asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario quindi: 

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando. 

        [verificata]: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase -  detta di inflazione - in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito ad una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.           

Lo scienziato e dissidente sovietico
Andrei Sakharov

2) che non si conservi il numero barionico. De esser quindi possibile  creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni. 

      [non verificata] Non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. 

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la legge simmetria di carica e parità (CP). 

   [appena accennata] La forza debole, responsabile del decadimento nucleare beta (che emette elettroni o positroni), può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però di gran lunga  troppo piccola per poter essere  in grado di soddisfare appieno la terza condizione.  

(1) continua in Separati in casa: Meccanica quantistica contro Relatività generale

Questo post partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".

La lunga coda (2): Distanza Terra-Spazio, Bomba e produzione di antimateria.

Questo è il secondo post che si ispira alle parole chiave con cui si viene indirizzati a questo blog: tra i termini più frequentemente richiesti compaiono: 

1) Distanza Terra - Spazio

2) Bomba antimateria

3) Produzione di antimateria 

4)  Disinformazione 2012

Distanza Terra dallo spazio. La domanda è molto più complessa di quanto potrebbe sembrare, perchè si presta a varie interpretazioni: La prima risposta più ovvia è che la terra vaga nello spazio e quindi la sua distanza da esso è la stessa di quella di una nave nel mare, cioè zero. Tuttavia se si prende come punto di riferimento il centro della terra, allora esso dista dallo spazio il raggio terrestre, ossia 6380 km circa. Se invece consideriamo la distanza del suolo terrestre dallo spazio, la distanza è 80 km, quella sopra cui si può essere chiamati astronauti (questo vale anche per i voli suborbitali della Spaceship one ma non per i voli su pallone ed il recente salto da 40 km di  Felix Baumgartner. Considerando la distanza della Terra dal Sole, questa è circa 149 milioni di km, o circa un centesimo del raggio solare. Definita questa come una Unità Astronomica (UA o AU all'inglese) possiamo avere un'idea delle dimensioni de sistema solare ricordando che Marte è a 1.5 UA, Giove a 2.5  e Plutone a 39 UA.  La distanza della Terra e del sistema solare dal centro galattico è poi di 27,000 anni luce, una sana periferia che ci pone al riparo da buchi neri,  radiazioni ed altri corpi celesti che infestano il centro della galassia e lo rendono probabilmente inabitabile. 

ADA, il primo strumento in cui
ha avuto luogo una collisione artificiale
materia-antimateria (foto INFN-LNF)

Produzione e bomba  di antimateria. La produzione di antimateria (soprattutto antiprotoni, ossia protoni negativi) e positroni (ossia elettroni positivi)  avviene in molti  acceleratori di particelle del mondo. Vale la pena di ricordare che la prima collisione materia-antimateria del mondo, antesignana dei fantascientifici motori dell'Enterprise ha avuto luogo presso i laboratori dell'INFN di Frascati. Si trattava di ADA (Anello di Accumulazione),  un gioiello ideato da Bruno Touschek, geniale scienziato viennese miracolosamente sopravvissuto alla furia delle SS. Dentro ADA correvano, in verso opposto, fasci di elettroni e positroni in una traiettoria circolare con una curvatura di 65 cm.  Ad ADA seguirono Adone e  Daphne, quest'ultimo ancora oggi funzionante. ADA, il prototipo di tutti gli acceleratori a collisione e forse un giorno dei motori delle astronavi  è ancora visibile in una teca sotto vetro nel giardino dei Laboratori.

Recentemente un esperimento in cui sono coinvolto, PAMELA, ha anche scoperto una fascia di antimateria intorno alla Terra. Putroppo le quantità di antimateria sono troppo piccole per sfruttarle come forma di energia e meno che mai per realizzare una bomba (senza contare che i metodi di confinamento per una bomba di antimateria sono ben oltre le nostre possibilità tecniche ed energetiche). 

Disinformazione 2012. Anche in questo caso le interpretazioni sono molteplici, ma quella più probabile si riferisce alla cosiddetta fine del mondo "predetta" dai Maya per il 21 Dicembre 2012. Ovviamente non ci sarà nessun cataclisma cosmico o terrestre per quella o altre date in relazione con il calendario Maya, che pure rappresenta forse il più grande risultato raggiunto da quella splendida civiltà. Tuttavia l'argomento verrà trattato in dettaglio nei prossimi giorni in quanto di rilevanza fondamentale per la nostra civiltà, anche se per motivi diversi da quelli millantati dalle pseudo-profezie (nonchè uno degli argomenti di un e-libro di prossima uscita).

I glifi che rappresentano i numeri maya

Il Bosone di Higgs e le pagine dell'album di figurine

Da sinistra: Fabiola Gianotti, responsabile
dell'esperimento ATLAS,  Rolf Dieter-Heuer,
direttore del CERN,  Guido Tonelli,
responsabile dell'esperimento CMS

Lo scorso 13 dicembre nel corso di due seminari al CERN di Ginevra, sono state annunciate prove dell'osservazione del "bosone di Higgs", la particella elementare che mancava all'appello del "modello standard", la teoria fisica che racchiude le nostre conoscenze sul mondo nucleare e subnucleare. 

Anche se il numero di osservazioni di questa particella è ancora troppo basso per garantire con certezza la sua esistenza (e vincere il premio Nobel) si può dire con ragionevole certezza che la figurina mancante per completare la pagina delle particelle elementari a noi note sia stata finalmente attaccata. Tuttavia siamo lungi dal completare l'album:  vari  blog (Amedeo Balbi, Tommaso Dorigo, vixra) hanno raccontato e spiegato in dettaglio questo evento e le sue implicazioni, per cui mi limito a riassumere alcuni fatti essenziali.

Chi è il signor Higgs? Peter Higgs è un fisico scozzese che negli anni '60 ha sviluppato la teoria secondo cui le particelle elementari potessero avere la massa che noi misuriamo. Secondo questa teoria è necessaria l'esistenza di una specifica particella (un bosone) cui  è stato dato il suo nome.

La prima pagina dell'album di figurine,
faticosamente riempita in circa un secolo di ricerche.
 I fermioni (quark, elettroni, neutrini)
 sono nelle prime tre colonne,
i bosoni (cui andrà forse aggiunto l'Higgs)
 nella quarta  (da qui).

E il bosone? Le particelle elementari possono essere divise in due grandi categorie a seconda delle loro proprietà statistiche e microscopiche: bosoni e fermioni. I bosoni derivano il loro nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose ed i fermioni dal 'nostro' Enrico Fermi. A grandi linee, le forze fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, debole, gravitazionale) sono esercitate tramite bosoni, mentre la materia (atomi, nuclei) è composta di fermioni. Un bosone per tutti: la luce (o meglio il fotone). Un fermione per tutti: l'elettrone. 

Perchè è importante questo bosone di Higgs? Perchè se non si trova, o se lo si trova con caratteristiche (ad esempio la massa) diverse da quello che prevede la teoria, allora la teoria è sbagliata e va modificata. Il modello standard non crollerebbe come un castello di carte, ma avrebbe bisogno di una bella ristrutturazione. Per fortuna (o per sfortuna?) la massa del bosone di Higgs misurata da ATLAS e CMS sembrerebbe una di quelle più attese dal modello standard. 

Ma perché è chiamata la particella di Dio? Il nome non ha alcun senso. Compare nel libro di Leon Lederman, ma è frutto di una censura dell'editore, dato che l'autore l'aveva originariamente chiamato "la particella dannata" (the goddamn particle), perché terribilmente difficile a trovarsi (il che, detto da un premio Nobel per i neutrini - che possono attraversare la terra senza batter ciglio - la dice lunga). 

Dove è stato trovato? Ai laboratori internazionali del CERN di Ginevra, cui l'Italia partecipa con vari istituti (tra cui l'INFN) ed Università. 

Perchè si trova solo lì? Al CERN è presente il più potente acceleratore di particelle del mondo, LHC (large hadron collider),  ed è attualmente l'unico strumento in grado di  produrre l'elusivo bosone di Higgs (al Tevatron del Fermilab ci hanno provato per anni, ma la macchina non era abbastanza potente). 

Un probabile evento di Higgs che decade in due 

particelle Z che a loro volta producono 2 muoni  ciascuno. 

Dal sito web del CERN, che non vuole correre rischi,

 la didascalia  del CERN infatti aggiunge: 

Such events are produced by Standard Model processes

without Higgs particles.  They are also (ma anche)

 a possible signature for Higgs particle production. 

(rosso e 'ma anche' sono miei)

Come è stato trovato? Questa particella era presente in abbondanza nei primi istanti di vita dell'universo, poi è decaduta completamente. Per osservarla è necessario un acceleratore di particelle con una energia ed una intensità tale da produrre questa particella. Nel tunnel sotterraneo vengono fatti circolare fasci di particelle ed antiparticelle sino a farli scontrare. Nell'urto si produce ogni sorta di fermioni e bosoni. I rivelatori di particelle (in questo caso ATLAS ed CMS) sono in grado di fotografare la forma dell'interazione e delle tracce ed identificare così l'Higgs tra la marea (marasma?) di altre particelle elementari. 

Ma è stato trovato per davvero? Che è questa storia delle sigma? Molto probabilmente sì. Due rivelatori distinti, ATLAS e CMS, hanno rivelato tracce diverse riconducibili - in maniera indipendente - ad un bosone di Higgs con massa pari a 126 GeV. Non possono dare l'annuncio della scoperta perchè il numero di tracce osservate è troppo esiguo e c'è sempre la probabilità di un errore. Il numero di sigma  quantifica la probabilità di uno sbaglio: poche sigma (male) implica un'alta probabilità di errore, tante sigma implica la  ragionevole certezza della scoperta. Per alcune spiegazioni sulla sigma e la significatività del risultato, vedete qui, anche se per un commento caustico ed aggiornato sugli usi errati della statistica da parte dei giornalisti vi  rimando ad un recente preprint di D'Agostini (saltate l'abstract che è più ostico e leggete l'articolo che è molto meno tecnico).

Ma allora non potevano aspettare? No, perché l'evidenza è tale da meritare un annuncio. In questa maniera tutti coloro  che lavorano sull'argomento possono beneficiare dei nuovi risultati. Inoltre  i vari  esperimenti sono tra loro concorrenti e  c'è sempre il rischio che la scoperta del secolo venga soffiata a colpi di articoli (è già successo tante volte). Inoltre il numero di sigma di ciascuno dei due esperimenti è superiore a quello dei test clinici di molte medicine. 

La divisione della massa nell'universo. Stelle e gas
costituiscono il solo 4%. Materia ed energia oscura
 ammontano a  più del 90%  ma non ne sappiamo quasi
nulla.

Quindi abbiamo finito? No: innanzitutto per dichiarare la scoperta sarà necessario osservare molte più particelle, e studiarne la natura, il decadimento ed i processi. Inoltre le osservazioni astronomiche, dalla nostra galassia agli ammassi più lontani, ci mostrano che tutte le stelle, i pianeti, il gas interstellare sono costituiti da  particelle del modello standard ma ammontano a solo circa 4% della massa dell'universo: di questo almeno il 23% è costituito da "materia oscura" (la natura del restante 73% è ancora più misteriosa). Anche questo termine è fuorviante, in quanto "trasparente" sarebbe più esatto, visto che non c'è modo di vederla con la luce delle stelle. Si tratta di una particella sconosciuta, che non appartiene alla pagina dell'album appena completata, ma probabilmente ad una pagina nuova di zecca, tutta ancora da scoprire. Alcune teorie - dette supersimmetriche - prevedono che LHC sarà in grado di osservare in futuro anche questa particella. 

2000 giorni di PAMELA in orbita

Il 5 dicembre lo spettrometro magnetico PAMELA ha compiuto 2000 giorni di volo nello spazio.

Lo strumento, lanciato a bordo del satellite russo Resurs-DK1 il 15 giugno 2006 aveva già festeggiato 5 anni qualche tempo fa. 

PAMELA studia i raggi cosmici carichi, protoni, elettroni, nuclei di elio; lo spettrometro magnetico permette di estrarre la rarissima componente di antimateria, antiprotoni e positroni, importante sia per la ricerca indiretta di materia oscura che per comprendere perché il nostro universo sia composto di sola materia. 

Purtroppo qualunque  campo magnetico devia le particelle cariche e quindi quello che abbiamo sono "solo" i flussi di particelle, ossia quante particelle ci sono ad una certa energia. 

Gli obiettivi scientifici di PAMELA nel plot di Hillas. 

A bassa energia (10⁹  eV) vi sono quelle intrappolate 

nelle fasce di Van Allen della magnetosfera terrestre, poi quelle emesse 

nelle eruzioni solari e  modulati nel nostro sistema solare  (10¹⁰  eV). 

Positroni ed elettroni vengono dal "vicinato" galattico,

 1-2 kpc, mentre protoni ed antiprotoni scorrazzano 

liberamente per tutta la galassia sino a  circa 10¹⁸  eV. 

Anche se non è possibile produrre le splendide immagini di satelliti come AGILE, Fermi o Hubble, studiando i flussi delle varie particelle è possibile ottenere informazioni molto dettagliate su come i raggi cosmici sono stati prodotti e si sono propagati nella galassia, nel nostro sistema solare ed in prossimità della Terra. 

I fenomeni che governano la magnetoidrodinamica -  disciplina che studia l''interazione tra particelle e campi magnetici - sono molto simili indipendentemente dalle scale in gioco: studiando la produzione di particelle emesse nelle eruzioni solari è possibile comprendere i meccanismi che hanno luogo nelle pulsar e nei nuclei galattici attivi, galassie dominate da immensi buchi neri.

Antimateria intorno alla Terra, PAMELA e viaggi interstellari

Dati recenti di PAMELA, pubblicati su Astrophysical Journal Letters (reperibile anche qui)  mostrano come nella magnetosfera terrestre sia presente una fascia stabile di antiprotoni, ossia antimateria a poche centinaia di chilometri attorno alla terra.
Queste particelle vengono formate dall'urto dei raggi cosmici galattici di più alta energia con gli strati alti dell'atmosfera: tra la miriade di particelle prodotte in queste collisioni vi sono anche antineutroni che possono decadere a loro volta in antiprotoni, che rimangono intrappolati nel campo geomagnetico.
Questa fascia di antiprotoni è molto più piccola di quelle di   protoni ed elettroni, dette di Van Allen dal nome del suo scopritore (un video delle fasce di Van Allen viste con pamela è presente qui).
Questo è il flusso di antiprotoni intrappolati  che abbiamo misurato con PAMELA. E' la prima volta che viene effettuata questa misura perché è necessario uno spettrometro magnetico per discriminare i protoni dalle loro antiparticelle in virtù della loro carica opposta. Oltre agli antiprotoni intrappolati (in rosso in figura) sono state rivelati anche antiparticelle prodotte in prossimità della terra ma che si perdono nel sistema solare (in blu). Per confronto, in nero è mostrato il flusso di antiprotoni provenienti dalla galassia.

I 28 antiprotoni rivelati intorno alla Terra da PAMELA sono rappresentativi di circa qualche miliardo di antiparticelle presenti in orbita attorno alla Terra. Troppo poche per rappresentare una forma di energia stabile o per alimentare futuristici motori a materia/antimateria. Tuttavia a questo link è presente un interessante documento che stima la quantità di antimateria presente nelle magnetosfere del sistema solare.
Le enormi magnetosfere di Giove e Saturno dovrebbero contenere centinaia di volte più antiprotoni di quella terrestre e dunque poter un giorno (molto remoto) essere utilizzati come minima sorgente di energia per viaggi interstellari. Il vantaggio di questa fonte è che - seppur piccola - si rigenera continuamente per l'urto delle particelle galattiche con le atmosfere planetarie.

Stime di antiprotoni presenti nel sistema solare (tratto da qui)