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Il CERN va in ‘letargo’ prima di risvegliarsi per una nuova ‘caccia quantistica’

Credit: LHC/CERN

Sette mesi dopo l’annuncio della scoperta di una nuova particella che sembra avere le proprietà consistenti con quelle del bosone di Higgs, i fisici del CERN si prenderanno un periodo di pausa prima di rituffarsi nella ricerca verso l’ignoto.

Da qualche giorno, gli strumenti sono passati nella modalità offline in modo da eseguire tutta una serie di operazioni che dureranno circa 18 mesi. Lo scorso mese di Luglio, il CERN è stato il teatro di una straordinaria scoperta (post). Gli scienziati sostengono che si tratta al 99,9% del fantomatico bosone di Higgs, una particella fondamentale senza la quale le altre particelle, compresi gli esseri umani, non esisterebbero. Le operazioni di manutenzione e di aggiornamento permetteranno di aumentare la capacità energetica del Large Hadron Collider (LHC) essenziale non solo per confermare definitivamente che la nuova particella sia effettivamente il bosone di Higgs ma anche per esplorare nuove dimensioni al fine di verificare se esistono le particelle supersimmetriche ed in particolare quelle che costituiscono la materia scura. “L’obiettivo è quello di esplorare l’ignoto“, spiega Frederick Bordry, a capo del Dipartimento di Tecnologia del CERN. “Abbiamo ciò che pensiamo sia il bosone di Higgs e tutte le teorie sulla supersimmetria e così via. Abbiamo bisogno di aumentare l’energia di collisione tra le particelle in modo da guardare più in profondità i fenomeni della fisica. E’ come andare in un territorio sconosciuto“. Ipotizzato nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs, il bosone di Higgs è conosciuto comunemente e fantasiosamente anche come la “particella di dio”, così definita da Leon Lederman. Higgs calcolò che un campo di bosoni poteva spiegare una anomalia fastidiosa: perché alcune particelle hanno massa mentre altre non ne hanno, come ad esempio i fotoni che costituiscono la luce? Questo problema rappresentava una lacuna nel Modello Standard, il quadro teorico che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e le interazioni fondamentali. Una idea è che il bosone di Higgs si sia originato quando l’Universo ha cominciato a  raffreddarsi subito dopo il Big Bang circa 14 miliardi di anni fa. Per quanto riguarda la supersimmetria, i fisici ritengono che debbano esistere altre particelle, più pesanti, che sono le rispettive ‘controparti’ delle particelle note del Modello Standard. Questo quadro può, a sua volta, spiegare l’esistenza della materia scura, una componente enigmatica che rappresenta il 23% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e la cui presenza può essere rivelata solo indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali. “Il gioco è quello di far collidere le particelle per trasformare l’energia liberatasi in massa. In questo modo, si creano nuove particelle e cerchiamo di capire che cosa sono“, dice Bordry. “In altre parole, si tratta di ricreare il primo microsecondo subito dopo il Big Bang”. Nel corso degli ultimi tre anni, il CERN ha fatto collidere protoni più di sei milioni di miliardi di volte. Cinque miliardi di collisioni hanno prodotto risultati confortanti per successive ricerche mentre i dati ottenuti da sole 400 collisioni hanno spianato la strada verso la rivelazione del bosone di Higgs. Nonostante l’arresto, i ricercatori del CERN certamente non staranno a guardare in quanto dovranno analizzare una grande mole di dati. “Penso che tra un anno, avremo maggiori informazioni sui dati raccolti nel corso degli ultimi tre anni“, dichiara Bordry. “Forse la conclusione sarà che abbiamo bisogno di più dati“. L’anno scorso, LHC ha raggiunto un livello di energia di collisione pari a 8 TeV partendo da 7 TeV nel 2011. Una volta che LHC ritornerà operativo nel 2015, l’obiettivo sarà quello di arrivare a 13 TeV o addirittura a 14 TeV considerando che LHC dovrebbe funzionare per almeno tre o quattro anni prima di un nuovo arresto. Il costo netto per le operazioni di  aggiornamento e manutenzione viene stimato essere vicino a 50 milioni di franchi svizzeri.

CERN: Long Shutdown: Exciting times ahead
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Una teoria ‘rivoluzionaria’ sulla materia scura

Are Raklev. Credit: Yngve Vogt

Che l’Universo sia composto da circa il 23% di materia scura ormai lo sanno tutti. Ma nessuno sa ancora di che cosa consiste questa componente enigmatica. Oggi, però, alcuni fisici dell’Università di Oslo hanno lanciato una sfida per tentare di dare una spiegazione matematica alquanto difficile che potrebbe risolvere una volta per tutte questo enigma astrofisico.

Il mistero della materia scura dura ormai da circa 80 anni e, forse, la soluzione di questo enigma potrebbe essere proprio dietro l’angolo. “Siamo alla ricerca di un nuovo membro dello zoo di particelle per spiegare la materia scura. Siamo convinti che si tratti di una particella molto esotica. E, forse, abbiamo trovato una spiegazione plausibile”, spiega Are Raklev, un professore associato di fisica delle particelle del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oslo. Raklev ha presentato un modello che tenta di spiegare ciò che potrebbe essere la materia scura. Anche se essa è invisibile, gli scienziati sanno che esiste. Infatti, senza questa componente sarebbe impossibile spiegare la formazione delle strutture cosmiche. “Anche se siamo in grado di determinare quanta materia scura esiste nell’Universo, sappiamo ancora molto poco sulla sua vera origine e natura. Le particelle di materia scura devono essere pesanti oppure ce ne devono essere in grande quantità. Tra le varie particelle candidate i neutrini hanno tutti i requisiti giusti ma la loro massa è troppo piccola“. Il lavoro di Raklev è quello di dimostrare che la materia scura sia costituita dal gravitino, un’ipotetica particella elementare, il cui partner supersimmetrico è il gravitone, che emergerebbe dalle teorie che tentano di unificare la relatività generale e la supersimmetria. “Il gravitino è l’ipotetica particella il cui partner supersimmetrico è il gravitone, anch’esso una particella ipotetica” spiega Raklev.

Dunque, per capire meglio le ragioni per cui Raklev ritiene che la materia scura sia composta da gravitini, dobbiamo fare alcune considerazioni:

1 : Uno degli obiettivi dei fisici è quello di scoprire se la natura è supersimmetrica, cioè se esiste una simmetria tra particelle e interazioni fondamentali. Per ogni tipo di elettrone e quark corrisponde un partner supersimmetrico, più pesante. Si ritiene che le particelle supersimmetriche siano state create subito dopo il Big Bang. Se alcune di loro sono sopravvissute fino ad oggi, forse potrebbero costituire la materia scura. Il partner supersimmetrico del gravitino è il gravitone. “Un gravitone è la particella che media la forza di gravità, proprio come il fotone, la particella di luce, media la forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non hanno massa, i gravitini possono essere molto pesanti. Dunque se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora anche i gravitini devono esistere e viceversa. Questa è matematica pura”. Ma c’è un problema. I fisici non possono dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitini prima che non siano state unificate tutte le forze della natura.

2 : Un altro obiettivo di fondamentale importanza è quello di unificare tutte le forze della natura in un’unica teoria. Verso la metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l’elettricità e il magnetismo erano due aspetti diversi della stessa interazione che fu successivamente chiamata elettromagnetismo. Esistono poi altre due interazioni, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole è associata alla radioattività. La forza nucleare forte, che è circa dieci miliardi di volte più intensa, lega insieme protoni e neutroni. Durante gli anni ’70, l’elettromagnetismo entrò nel quadro del modello standard assieme alle altre due forze, nucleare forte e nucleare deboli. La quarta forza fondamentale della natura è la gravità. Si tratta dell’interazione più debole in termini di intensità che i fisici non sono ancora in grado di unificare con le altre tre forze della natura. Oggi, i teorici sono impegnati a formulare una teoria che un giorno, si spera, permetterà di descrivere tutte le interazioni fondamentali tra le particelle elementari. I fisici chiamano questa teoria la “teoria del tutto”. “Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo descrivere la gravità su scale subatomiche. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui sia incluso anche il gravitone“.

Per dirla in breve, lo studio della materia scura è molto complicato e uno dei motivi principali è che essa non interagisce dal punto di vista elettromagnetico con le particelle terrestri. Abbiamo detto che una particella candidata è il neutrino. Forse, i neutrini costituiscono solo una parte infinitesimale della materia scura. Sappiamo che diversi miliardi di neutrini attraverso il nostro corpo ogni secondo. Tuttavia, la loro velocità è piuttosto limitata. Di fatto, queste particelle elusive si muovono così lentamente come la velocità con cui il Sistema Solare orbita attorno alla Via Lattea, circa 400 chilometri al secondo. “Quando non ci sono interazioni con le particelle elettromagnetiche visibili, i neutrini possono attraversare il nostro corpo senza che nessun strumento li riveli. Qui è proprio dove entra in gioco la supersimmetria. Se la teoria è corretta, allora i fisici potranno spiegare perché vi è materia scura nell’Universo. E questa è la parte divertente del mio lavoro”, afferma Raklev. “La supersimmetria semplifica tutto. Se un giorno sarà possibile unificare le quattro forze della natura, allora i gravitini dovranno far parte dello zoo delle particelle“. I gravitini si sarebbero formati subito dopo il Big Bang. “Subito dopo il Big Bang si è originata una ‘zuppa di particelle’ che erano continuamente in collisione. I gluoni, le particelle che mediano la forza nucleare forte, entrarono in collisione con altri gluoni per produrre gravitini. Perciò molti gravitini si sarebbero formati dopo il Big Bang mentre l’Universo si trovava ancora in uno stato di plasma. Dunque abbiamo una spiegazione del perché esistono i gravitini“.

Tuttavia, i fisici hanno visto i gravitini come un problema teorico. Essi ritengono che la teoria della supersimmetria non funziona perché ci sono troppi gravitini. “I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitini dai loro modelli. Noi, invece, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica la supersimmetria con la materia scura costituita di gravitini. Se la materia scura non è stabile, ma esiste da lungo tempo, c’è un modo di spiegare perchè la materia scura consista di gravitini“. Negli altri modelli, la materia scura viene considerata sempre eterna. Questo significa che i gravitini rappresentano una parte problematica della supersimmetria. Nel modello di Raklev, i gravitini non durano in eterno e la loro vita media è molto lunga, addirittura più lunga dell’età dell’Universo. Tuttavia, vi è una notevole differenza tra una vita senza fine e una età superiore a 14 miliardi di anni. Se il tempo di vita è lungo ma limitato, i gravitini possono trasformarsi in altre particelle. È proprio questo effetto di trasformazione che può essere misurato per  spiegare così il modello. “Noi siamo convinti che quasi tutta la materia scura sia composta da gravitini e la spiegazione di ciò si basa su una formulazione matematica molto complessa. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentano di prevedere in che modo queste particelle possano essere osservate negli esperimenti“.

I ricercatori stanno cercando di verificare sperimentalmente l’esistenza di queste particelle ed è questo il motivo per cui i gravitini non stati ancora rivelati al CERN. “Forse, potrebbero essere osservati nello spazio“, spiega Raklev. Il modo più semplice per rivelare i gravitini potrebbe essere quello di studiare cosa succede quando due particelle collidono nell’Universo e vengono trasformate in altre particelle sottoforma di fotoni o antimateria. Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c’è ancora tanta materia scura nello spazio per cui ci aspettiamo che venga prodotto un numero significativo di fotoni. Il problema principale è che i gravitini non interagiscono. Ma c’è una speranza. “Fortunatamente per noi, i gravitini non sono al cento per cento stabili. Ad un certo punto, essi vengono trasformati in qualcosa d’altro. Oggi siamo in grado di prevedere come può apparire il segnale una volta che i gravitini siano stati trasformati in altre particelle. Questo processo di conversione causerà l’emissione di un’onda elettromagnetica, cioè raggi gamma“. Attualmente, il telescopio spaziale Fermi sta misurando i raggi gamma associati alle sorgenti di alta energia. “Finora abbiamo visto solo il rumore. Ma alcuni ricercatori affermano di aver osservato un piccolo eccesso  di raggi gamma sospetto proveniente dal centro della nostra galassia. Forse, i loro dati potrebbero descrivere bene il nostro modello”, conclude Raklev.

University of Oslo press release: Revolutionary theory of dark matter

arXiv: Cosmic Ray Signatures from Decaying Gravitino Dark Matter

arXiv: Photon, Neutrino and Charged Particle Spectra from R-violating Gravitino Decays

arXiv: Constraining the MSSM with Dark Matter indirect detection data

arXiv: Massive Metastable Charged (S)Particles at the LHC

arXiv: Physics Beyond the Standard Model: Supersymmetry

LHCb, evidenze di un raro processo di decadimento B

Durante il simposio Hadron Collider Physics tenutosi di recente a Kyoto, i fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno presentato i risultati di un decadimento B molto raro, il più raro mai osservato. Questi dati limitano ulteriormente quei processi fisici in cui gli scienziati possono ancora cercare indizi dell’esistenza della supersimmetria.

I processi di decadimento delle particelle elementari ci forniscono le informazioni sulle proprietà e il funzionamento dei fenomeni fisici che avvengono in natura. Spesso, però, alcuni decadimenti sono rari, sono molto difficili da osservare e sono quelli in cui si potrebbe rivelare la presenza di nuova fisica. Questo è il caso di alcuni processi di decadimento della particella BS0, una particella costituita da un antiquark e un quark strange, e in particolare BS0  → μ+ μ il cui tasso può essere calcolato con precisione secondo le previsioni del Modello Standard. Eventuali deviazioni dai valori attesi potrebbero indicare un segnale dell’esistenza di nuove particelle, per esempio quelle della supersimmetria. Dopo aver analizzato una parte dei dati raccolti nel 2012, insieme a quelli a partire dal 2011, i fisici che lavorano agli esperimenti presso il rivelatore LHCb hanno presentato per la prima volta i risultati di una notevole quantità di decadimenti  BS0 con un livello di confidenza pari a 3,5 σ. “I teorici hanno calcolato che, secondo il Modello Standard, questo decadimento dovrebbe avvenire circa 3 volte ogni miliardo di decadimenti totali della particella“, spiega Pierluigi Campana, portavoce di LHCb. “Questa prima misurazione dà un valore di (3,2 1,5-1,2) x 10-9, che è in buon accordo con le previsioni“. Questo risultato ci permette di porre nuovi limiti verso la ricerca di particelle supersimmetriche. “Questo canale è un indicatore molto preciso degli effetti relativi all’esistenza di una nuova fisica. La supersimmetria non è esclusa dalla nostra misurazione ma è fortemente limitata“, continua Campana. “Questa misura è una sorta di controllo del Modello Standard ed oggi appare più ‘sano’ di quanto non fosse in precedenza.” Ora, il testimone passerà alla comunità dei fisici e dei teorici in particolare. “Questi risultati devono essere pienamente integrati nei modelli teorici“, spiega ancora Campana. Insomma, i fisici vogliono continuare ad analizzare i dati per migliorare l’accuratezza di questa misura e di altre da cui potrebbero emergere gli indizi di una nuova fisica.

[Press release: First evidence for the B0s →μμ decay]

arXiv: First evidence for the decay Bs -> mu+ mu-

Talk presentato alla conferenza di Kyoto