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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.

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Il Bosone di Higgs: Il canto del cigno della fisica particellare?

Il Bosone di Higgs è l’ultima particella del modello standard delle particelle elementari a essere stata osservata sperimentalmente. Due esperimenti al CERN di Ginevra, ATLAS e CMS hanno indipendentemente identificato questa elusiva particella, la cui esistenza era stata teorizzata mezzo secolo fa da Higgs ed Englert e che ha fruttato loro il premio Nobel per la fisica 2013. L’osservazione di questa  particella conferma la nostra fondamentale comprensione del mondo microscopico.

Cosa sono i bosoni? Le particelle elementari possono essere divise in due grandi categorie in base alle loro proprietà microscopiche: bosoni e fermioni. I bosoni derivano il loro nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose; i fermioni da Enrico Fermi. Le forze fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, debole, gravitazionale) sono esercitate tramite bosoni, mentre la materia (atomi, nuclei) è composta di fermioni. La luce – o meglio l’onda elettromagnetica che costituisce i fotoni – è un bosone, mentre gli elettroni sono fermioni. Un gruppo di bosoni può condividere le stesse caratteristiche e dare origine quindi a luce coerente come quella del laser. I fermioni devono essere invece impilati l’uno sull’altro e danno origine ad esempio alle nubi elettroniche che circondano gli atomi.

 Quindi la ricerca è conclusa? No: innanzitutto sarà necessario osservare questi bosoni in numero molto più elevato, studiarne la natura, le proprietà e le caratteristiche.

Inoltre c’è un problema fondamentale 

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Einstein, Galileo e le cospirazioni dei neutrini superluminari.

L'esperimento SuperKamiokande in Giappone. Le sfere di
vetro sono enormi fotomoltiplicatori per rivelare la luce
prodotta dalle interazioni dei neutrini con l'acqua
che riempie la cavità. 

A quanto pare i  neutrini non viaggiano più veloci della luce. Qui la dichiarazione ufficiale del CERN già anticipata   Nature   ed altri, secondo sono state identificate due concause che hanno cospirato per simulare l'apparente arrivo dei neutrini 60ns (60 miliardesimi di secondo) prima di quanto previsto dalla teoria della Relatività. 

Allora Einstein aveva ragione? 

Einstein sarebbe stato il primo a gioire dei neutrini superluminari e la formulazione una teoria più generale e ampia di quelle da lui formulate. Le modalità del progresso scientifico e l'investigazione della Natura proseguono infatti  in maniera diversa da come titolano i giornali. Una teoria scientifica può essere falsa o palesemente errata (la terra non è piatta). Non esistono però teorie vere sempre: sono di solito valide in un dato contesto. La teoria della Relatività speciale di Einstein (secondo cui nulla può viaggiare più veloce della luce) generalizza ed amplia quella di Galileo. Quest'ultima era ed è applicabile per basse velocità, ossia praticamente sempre ai fini pratici e difatti si usa per la maggior parte delle attività (difficile  pensare che i frecciarossa nostrani abbiano bisogno della teoria della Relatività speciale). 

Scopo della fisica è di scoprire (sperimentalmente) o formulare (teoricamente) teorie valide in contesti sempre più ampi. Se ci si riesce,  oltre ad  una comprensione più ampia e dettagliata dei meccanismi di funzionamento del nostro universo, si ha come "bonus" una serie di applicazioni tecnologiche come ad esempio il GPS, figlio delle due teorie della relatività. Se il neutrino fosse (o fosse stato) più veloce della luce sarebbe stato necessario sviluppare una teoria che tenga conto anche di questo fenomeno e avremmo potuto assistere ad una nuova rivoluzione della fisica.

Ma allora tutto il clamore era dovuto "solo" ad un cavo? 

Alzi la mano chi non ha mai avuto problemi con l'antenna. Se l'errore sarà realmente tracciabile ad una connessione o ad un cavo mal collegato va ricordato che questo è uno dei milioni di fili che collegano rivelatori, magneti, strumenti, computer in una ragnatela di enorme complessità.  La misura sperimentale ed i dati che essa produce richiedono un enorme lavoro di analisi e pulizia per evitare che questi  cospirino e si organizzino per fornire informazioni errate. L'analisi dei dati di esperimenti di questa complessità richiede una lunga  e certosina scrematura dell'informazione  che permetta di eliminare falsi dati ben più subdoli di qualunque virus del computer. Sono decenni se non secoli che le sirene dell'errore sistematico traggono in inganno generazioni di studenti e ricercatori con false scoperte.

Il fascio di neutrini generato a J-Parc (città di Tokai) (destra)
verso Superkamiokande, nella miniera di Kamioka (sinistra).
Il fascio di neutrini è stato recentemente ripristinato dopo
il terremoto dell'11 Marzo 2011

In ogni caso la conferma o smentita finale deve venire da altri esperimenti, come Minos  (che ha comunque visto un segnale simile) o T2K (da Tokaimura a  SuperKamiokande) e non è detto che queste nuove misure non ci riservino nuove sorprese. 

PS  in rete già circolano  teorie di un altro tipo di cospirazione, secondo cui i neutrini vadano effettivamente più veloci della luce e che questa scoperta sia stata messa a tacere per nascondere applicazioni industriali  e militari. In questa maniera si spiegherebbe il repentino ritrattare di tutti gli organi uffficiali del Cern e dell'INFN... ovviamente notizie di questo genere, per quanto divertenti, sono prive di ogni fondamento.  

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.