Un cognac per la SUSY

Uno dei principali obiettivi dei teorici, la supersimmetria o, in breve, SUSY, acronimo che sta per SUper SYmmetry, indica nella fisica delle particelle una teoria, estensione del modello standard, che individua una simmetria secondo cui ad ogni fermione e ad ogni bosone corrispondono, rispettivamente, un bosone e un fermione di uguale massa. Nonostante alcuni scienziati abbiano già scommesso che la rivelazione delle particelle supersimmetriche sia proprio una questione di tempo, può succedere che qualche fisico faccia un passo indietro. È il caso di Nima Arkani-Hamed, un teorico dell’Institute for Advanced Study (IAS) di Princeton, che partecipando ad una conferenza, tenutasi di recente a Copenhagen, ha donato una bottiglia di cognac, del valore di 1000 corone (circa 130 euro), a Poul Damgaard, direttore del Niels Bohr International Academy, uno dei vincitori della scommessa. Già, ma di quale scommessa si tratta?

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Esiste un solo bosone di Higgs?

Quando i fisici annunciarono la scoperta del bosone di Higgs nel 2012 (post), essi dichiararono che il modello standard delle particelle elementari si poteva considerare completo: in altre parole, era stato trovato finalmente il pezzo mancante del puzzle. Tuttavia, molte domande rimangono ancora senza una risposta e una di queste ha a che fare con il numero di Higgs: abbiamo trovato un solo tipo di bosone di Higgs o ce ne sono altri?

LHC, in attesa del grande ‘risveglio’

Dopo la sorprendente scoperta della particella di Higgs del 2012 (post), che ha determinato l’assegnazione nel 2013 del Nobel per la Fisica a François Englert e a Peter Higgs, i fisici sono in trepidante attesa perchè sperano di imparare nuove cose nel momento in cui il Large Hadron Collider (LHC) entrerà nuovamente in funzione nel 2015 (post1; post2).

PandaX-1, i primi risultati delle ricerche sulla materia scura

Il gruppo di 40 fisici che collaborano all’esperimento Particle and Astrophysical Xenon Detector (PandaX) guidati dalla Shanghai Jiao Tong University e che ha lo scopo di dare la caccia alla materia scura in un laboratorio sotterraneo situato nella parte sud-ovest della Cina, hanno pubblicato sulla rivista Science China Physics, Mechanics & Astronomy i risultati delle prime fasi dell’esperimento. PandaX è il primo esperimento sulla materia scura che viene realizzato in Cina e che utilizza un rivelatore contenente più di cento chili di xeno. Il progetto è stato studiato per monitorare le eventuali collisioni tra i nucleoni dell’atomo di xeno e le cosiddette Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs) che sono le principali indiziate per la materia scura.

LHC, prossimo obiettivo le superparticelle

La scoperta della particella di Higgs ha rappresentato una svolta fondamentale per la ricerca nel campo della fisica delle particelle, anche se molti scienziati ritengono che siamo solo all’inizio (post). Infatti, quando il grande collisore adronico (LHC) entrerà in funzione nel 2015, operando ad un livello di energia quasi il doppio rispetto agli esperimenti precedenti, i teorici sperano di poter rivelare le prime tracce dell’esistenza della supersimmetria.

Evidenze di SUSY nella mappa di Planck?

Secondo alcuni scienziati, la radiazione cosmica potrebbe celare dei segnali correlati alla supersimmetria, aprendo così una ulteriore finestra per lo studio della materia scura. Secondo il modello dell’inflazione cosmica, l’Universo primordiale subì un periodo di rapida espansione esponenziale durante il quale in una piccolissima frazione di secondo un campo di forze, detto inflatone, diede forma e volume all’Universo. Questo meccanismo produsse delle fluttuazioni quantistiche che sono state impresse come minuscole variazioni di temperatura che si osservano nella mappa della radiazione cosmica di fondo (post). Gli scienziati che lavorano alle teorie che sono delle estensioni del modello standard delle particelle elementari ritengono che l’inflazione sia stata accompagnata da altri campi di forza. La supersimmetria è una di queste teorie che postula l’esistenza di superparticelle o s-particelle, che non sono state ancora osservate, associate ad ogni particella nota. Ogni s-particella ha un corrispondente campo di forza che sarebbe stato presente durante le fasi iniziali dell’evoluzione cosmica e perciò dovrebbe aver lasciato le sue tracce impresse nella mappa della radiazione cosmica. Secondo Lingfei Wang e Anupam Mazumdar della Lancaster University, che stanno lavorando a questa ipotesi, emergono altri problemi poiché non è ancora chiaro che cosa facessero questi campi di forza durante le fasi iniziali della storia dell’Universo. Una possibile spiegazione è che questi campi di forza aggiuntivi possano aver avuto il ruolo di ‘spettatori’, incapaci comunque di modificare il processo dinamico dell’inflazione cosmica ma rimanendo sempre nei dintorni, per così dire, in modo da lasciare una traccia della loro presenza. Le fluttuazioni dovute a queste ‘componenti-spettatori’ sarebbero state molto più grandi rispetto a quelle lasciate dall’inflazione. Può darsi che siano proprio questi campi aggiuntivi, e non l’inflazione, i responsabili delle strutture a forma di ‘macchie’ nella mappa della radiazione cosmica. Dunque, la verifica sperimentale è quella di capire come esse sono distribuite nella mappa: in altre parole, se esse sono state causate da fluttuazioni di campi multipli allora la loro distribuzione non dovrebbe apparire esattamente di tipo gaussiano. Lo scienziato è comunque convinto che la presenza di campi multipli crei lo stesso effetto che produce un singolo campo di forze. Al momento è difficile capire se la distribuzione delle fluttuazioni abbia o meno una distribuzione gaussiana e perciò rimane ancora possibile, almeno in via teorica, che delle tracce dovute all’esistenza di s-particelle siano presenti nella mappa della radiazione cosmica. Bisogna dire, però, che al momento i dati di Planck sembrano escludere un eventuale collegamento che porti alla supersimmetria, anche se non viene del tutto escluso. Occorreranno altri esperimenti, come lo Square Kilometer Array (SKA) che dovrebbe essere operativo non prima del 2020, e se esisterà davvero la possibilità di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’inflazione cosmica e la supersimmetria allora avremmo fatto davvero un passo da gigante.

arXiv: Cosmological perturbations from a 'Spectator' field during inflation

LEP3, guardando oltre il grande collisore di adroni

La figura illustra il progetto LEP3 con il doppio anello di acceleratori: un primo anello (accelerator ring) accelera elettroni e positroni fino ad energie di 120 GeV per poi immetterli con intervalli di qualche minuto nell’altro anello (collider ring) che è dotato di punti d’interazione ad elevata luminosità.

Nonostante gli ultimi clamorosi risultati ottenuti dal Large Hadron Collider (LHC), un gruppo di fisici sta guardando oltre l’utilità che può dare nei prossimi anni il grande collisore di adroni. Si tratta di un progetto scientifico che vedrà la costruzione di un nuovo acceleratore di particelle, denominato LEP3, che dovrebbe essere collocato nel tunnel attualmente occupato da LHC, una versione aggiornata, per così dire, di quello che qualche tempo fa era il Large Electron-Positron Collider (LEP). Il gruppo di fisici coinvolti in questo progetto dichiarano che il nuovo collisore sarà utilizzato per studiare essenzialmente il bosone di Higgs.

Oggi, una delle domande fondamentali che si pongono i fisici è quella di capire quale sarà il passo successivo una volta che LHC avrà dato, si spera, la prova definitiva dell’esistenza del bosone di Higgs. Certamente si tratta di un programma a lungo termine che dovrebbe vedere la sua realizzazione a partire dal 2030 dato che occorreranno anni per progettare e costruire un tale complesso acceleratore di particelle. Nonostante ciò, i fisici sono già pronti per la fase successiva. Intanto, bisogna dire che tutti concordano sul fatto che LHC sarà soggetto ad una serie di manutenzioni nel corso dei prossimi dieci anni al fine di incrementare l’energia e la luminosità dei fasci di collisione. Poi bisognerà vedere cosa intendono fare gli scienziati in termini di nuovi esperimenti. Se, ad esempio, saranno trovate evidenze dell’esistenza delle superparticelle, cioè le particelle previste dalla supersimmetria, quasi sicuramente i fisici vorranno approfondire gli studi in questo campo mettendo, forse, a rischio gli esperimenti che saranno focalizzati quasi esclusivamente sul bosone di Higgs e a cui potrebbe dedicarsi, appunto, LEP3. Per non parlare poi di altri progetti quali l’International Linear Collider (ILC) o il Compact Linear Collider (CLIC) che potrebbero dedicarsi alla ricerca di altre particelle anche se con un costo decisamente superiore. Una differenza sostanziale tra LHC e LEP3 è data dal tipo di particelle che vengono fatte collidere. Mentre in LHC si fanno scontrare fasci di protoni, per LEP3 sono previste collisioni tra fasci di elettroni e positroni. Inoltre, LEP3 sarà dotato di due anelli di acceleratori anzichè uno come nel caso di LHC. Insomma, i fisici sperano che con l’attuale tecnologia LEP3 possa essere realizzato in circa dieci anni e che potrà coesistere con LHC almeno per qualche anno.

ArXiv: LEP3: A HIGH LUMINOSITY E+E- COLLIDER TO STUDY THE HIGGS BOSON

ATLAS Supersymmetry Searches and More at SUSY 2012

95% Confidence Level exclusion limits for specific Supersymmetry models (MSUGRA/CMSSM) under specific constraints. One of the ATLAS talks in SUSY 2012 presents the results of a search for proposed supersymmetric particles called squarks and gluinos in events containing jets and missing transverse momentum. Although the particles were not found, such measurements exclude certain regions, giving us important clues on where to look next. ATLAS measurements have been able to exclude most of the plane allowed but this particular model (CMSSM/MSUGRA) which is one of the most popular SUSY models.

The 20° International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY 2012) is taking place in Beijing, China on 13 -18 August 2012. SUSY is the theory which, if confirmed by experiment, will be the high energy extension of the Standard Model (SM). In SUSY, every particle should have a massive “shadow” particle or super-partner. Experimentalists have been looking for years for proof of the existence of these SUSY particles or sparticles.

L’importanza di essere, o non essere, il bosone di Higgs

Peter Higgs.
Credit: University of Edinburgh, Scotland.

A distanza di qualche giorno dal seminario tenutosi il 4 luglio al Cern di Ginevra sulla presentazione dei dati raccolti tra il 2011 e il 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS presso LHC e che hanno portato alla scoperta di una nuova particella (vedasi questo post), ci si interroga sulla possibilità che si tratti, o meno, proprio del bosone di Higgs oppure di una particella più esotica che appartiene, invece, ad una fisica che ancora non conosciamo.

Intanto, bisogna dire che la particella è un bosone scalare, osservato per la prima volta, e che i due valori della massa ottenuti dai rivelatori sono molto vicini. Inoltre, e fatto più importante, i dati sembrano essere consistenti proprio con il bosone di Higgs così come previsto dal modello standard ma prima di arrivare ad una conclusione definitiva occorrerà eseguire tutta una serie di analisi per studiare in dettaglio le proprietà di questo bosone e chiarire la sua identità. Per usare un paragone, possiamo dire che i fisici sono un pò come i poliziotti che stanno dando la caccia ad un ricercato (il bosone di Higgs), di cui hanno solo l’identikit. Anche se l’abbiamo intravisto (i risultati degli esperimenti) e nonostante i suoi tratti sono molto simili a quelli dell’identikit, ad oggi la situazione (i dati) non ci permette di essere certi sul fatto che si tratti proprio del nostro ricercato o se, invece, si tratti di uno o più sosia. La difficoltà del processo di identificazione di questa nuova particella è legata al fatto che non è possibile osservare direttamente il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs viene creato nelle collisioni tra protoni e decade in varie componenti in una frazione di secondo. Ora, secondo la teoria delle particelle, ci aspettiamo che il processo di decadimento avvenga in diversi modi e che i tassi di decadimento dipendano dalla massa che assume il bosone di Higgs. Un altro problema è che la massa del bosone di Higgs non è univocamente determinata dalla teoria ma oggi possiamo dire che abbiamo un valore approssimato della sua massa, tra 125 e 126 GeV, che diventerà ancora più preciso man mano che raccoglieremo sempre più dati. Lo stesso Peter Higgs, che ha partecipato al seminario del Cern, ha dichiarato, con un velo di timidezza e qualche lacrima agli occhi, senza tralasciare il senso di humour britannico: “Sono molto felice che tutto ciò accada mentre sono ancora in vita“. Ora la domanda è: se non si tratta del bosone di Higgs, che cosa è questa particella? L’idea che circola è che, forse, potrebbe trattarsi di una sorta di “messaggero” di una nuova fisica che va oltre il modello standard. Si parla di particelle supersimmetriche e perciò potrebbe trattarsi di un bosone di Higgs supersimmetrico. Comunque sia, con i dati che abbiamo attualmente a disposizione è assolutamente impossibile affermarlo. Dunque, per cercare di capire di che cosa stiamo parlando, i fisici dovranno affrontare una serie di calcoli. Prima di tutto, oltre alla massa, bisognerà misurare lo spin della particella, cioè il suo momento angolare intrinseco o, in maniera più semplice, la rotazione della particella. Il modello standard prevede per il bosone di Higgs un valore nullo. La misura di questo e di altri parametri sarà di fondamentale importanza per verificare se entrano, o meno, nel quadro previsto dal modello standard. Tuttavia, per eseguire queste misure occorreranno certamente dei mesi se non addirittura anni. Assumendo che questa particella verrà confermata essere il bosone di Higgs, il passo successivo che dovranno affrontare i fisici sarà quello di spingersi verso regioni inesplorate in termini di energia. Di fatto, gli scienziati sono convinti che al di sopra di un determinato valore di energia ci deve essere qualcosa di nuovo, insomma una nuova fisica che supera lo stesso modello standard: ad esempio, la supersimmetria è una sua estensione. La supersimmetria, che prevede l’esistenza delle cosiddette particelle supersimmetriche, non ancora osservate, potrebbe spiegarci perché esistono in natura due tipi differenti di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. LHC ha le caratteristiche giuste per dare la caccia a queste superparticelle la più leggera delle quali si ritiene sia la candidata ideale per formare la materia scura [audio post].

Vedasi anche questo post: Scoperta di un bosone