di Umberto Genovese

Francamente ancora non sappiamo se esista o meno il Bosone di Higgs, il famoso bosone portatore di massa delle particelle, quello che nel titolo di un suo libro [1] il fisico Leon Max Lederman aveva chiamato “maledetta particella”  (goddnam particle) e che un editore un po’ troppo moralista trovandola sconveniente la cambiò in “Particella di Dio”. Adesso un paio di recenti esperimenti pongono limiti alla sua esistenza.  Un po’ come dire “ non lo abbiamo ancora beccato, ma ci sono indizi che ci fanno credere che sia rinchiuso in quella stanza”

In una conferenza stampa il 13 dicembre i ricercatori del CERN di Ginevra hanno annunciato che due diversi esperimenti [2]  in corso presso il più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) hanno posto limiti ben ristretti alle finestre energetiche in cui può essere verificata l’esistenza del bosone di Higgs.

Ma che cosa sarebbe esattamente il bosone di Higgs [3] ?

Il Modello Standard – che è l’evoluzione estrema della Meccanica Quantistica – descrive le basi di come le particelle elementari (fermioni e leptoni) interagiscono fra loro tramite bosoni di gauge, ovvero particelle che mediano, trasportano tre delle quattro forze fondamentali della natura:

1. la forza elettromagnetica (luce, magnetismo, elettricità) è mediata dai fotoni;
2. la forza nucleare forte (la forza che tiene uniti i quark per formare gli adroni – protoni e neutroni) è mediata dai gluoni;
3. la forza nucleare debole (responsabile del decadimento radioattivo  beta – decadimento del neutrone in protone) mediata dai bosoni W, Z e appunto il famoso bosone di Higgs.

La particolare natura della forza debole di interagire [4]  sia con i leptoni che con i fermioni, sia con particelle cariche che particelle neutre, richiede appunto tre bosoni distinti per agire: uno per le interazioni cariche (W), uno per le interazioni neutre (Z) e uno (Higgs) per dare la massa a tutte le altre particelle, tranne i fotoni e i gluoni.
L’unica forza fondamentale che per ora rimane esclusa dal Modello Standard è la forza di gravità che verrebbe mediata a sua volta dal suo bosone: il gravitone.

Come funzionerebbe il bosone di Higgs?

Il bosone di Higgs fu teorizzato attorno al 1960 dal fisico Peter Higgs, ed altri,  per spiegare il modo in cui le particelle elementari acquistano massa a riposo.

Non è facile spiegare come questo avvenga senza ricorrere alla matematica, ma un fisico dell’University College di Londra, David Miller raccolse la sfida del ministro britannico della scienza, William Waldegrave che aveva indetto in proposito un concorso, in palio una bottiglia di champagne.

L’immagine suggerita da David Miller [5] è quella di un salone (lo spazio) pieno di persone (il campo di Higgs) che sono distribuite in maniera uniforme e impegnate a conversare ciascuna con il proprio vicino. All’improvviso questa festa viene animata dall’arrivo di un personaggio famoso (una particella) che attraversa la stanza. Tutte le persone vicine sono attratte da lui (la rottura di simmetria) e vi si affollano intorno. Man mano che il personaggio famoso si muove nella sala attrae altre  persone a lui più vicine mentre quelle che lascia alle sue spalle tornano nella loro posizione originale. A causa di questo affollamento aumenta la resistenza al movimento, in altre parole il personaggio famoso-particella  acquista la sua massa.

Per spiegare invece il concetto di bosone di Higgs, sempre Miller suggerisce di immaginare che all’improvviso, nello stesso salone pieno di gente, qualcuno faccia circolare una voce. Le persone più vicine la ascoltano per primi e si riuniscono per apprendere qualche dettaglio in più, quindi si voltano e si avvicinano alle altre persone nei paraggi per riferire quanto ascoltato. In questo modo la stanza viene attraversata da un’ondata di capannelli che si formano man mano e che a loro volta, come il precedente personaggio famoso, acquisiscono massa. Il bosone di Higgs sarebbe appunto questa rottura di simmetria nel campo di Higgs.

Nelle tre dimensioni, e con tutte le complicazioni relativistiche del caso, questo è in pratica il meccanismo postulato da Higgs. Al fine di dare alle particelle una massa, il vuoto si distorce a livello locale ogni volta che una particella si muove attraverso di esso provocando una rottura di simmetria. La distorsione – il raggruppamento del campo di Higgs intorno alla particella – genera la massa.

L’idea arriva direttamente dalla fisica dei solidi. Invece di un campo diffuso in tutto lo spazio, un solido contiene un reticolo cristallino di atomi con carica positiva. Quando un elettrone si muove attraverso il reticolo attrae gli atomi, causando un aumento di massa effettiva dell’elettrone fino a 40 volte più grande della massa di un elettrone libero.

A questo punto Il campo di Higgs postulato è una sorta di reticolo ipotetico nel vuoto che riempie il nostro Universo. Così si può spiegare perché le particelle Z e W che trasportano le interazioni deboli sono così pesanti, mentre il fotone che trasporta le forze elettromagnetiche sia senza massa. Ed è grazie a questa rottura di simmetria del vuoto che le particelle cominciano a interagire fra loro, acquisiscono massa e non possono viaggiare più veloci della luce.

Ma le analogie con la fisica dei solidi non finiscono qui: in un reticolo cristallino ci possono essere alterazioni locali che si muovono al suo interno senza il bisogno del transito di un elettrone che attrae gli atomi. Queste onde possono comportarsi esattamente come se fossero particelle. Queste sono chiamati fononi e anche loro sono bosoni.

Tuttavia, il Modello Standard può spiegare solo il 4% della materia e dell’energia contenute nell’universo.
Si presume che il resto sia fatto di materia oscura (23%) e l’energia oscura (73%). Questo significa che gli atomi costituiscono solo una netta minoranza di questo universo mentre il 96% ancora non è compreso nel Modello Standard, come non lo è del resto la gravitazione, la forza più diffusa nell’universo.

Nonostante i suoi successi predittivi, l’attuale Modello Standard è  una delle più brutte teorie proposte dalla fisica moderna.

Ha più di 19 parametri liberi, 3 serie di particelle ridondanti, 36 diversi tipi di quark e anti-quark, e una variegata collezione di gluoni, leptoni, bosoni, particelle di Higgs, particelle di Yang-Mills, etc.

Questo indica – e sono anche i suoi ideatori ad ammetterlo – che il Modello Standard non è certamente la teoria finale.
Al momento, l’unica teoria matematicamente auto-consistente in grado di fornire un quadro realmente unificato dell’universo è la teoria delle stringhe.

Questa Super Teoria del Tutto  non è ancora stata verificata, ma il Large Hadron Collider può finalmente trovare prove convincenti a favore di questa promettente teoria.

Il prossimo obiettivo per l’LHC potrebbe essere quindi individuare la materia oscura, quella sostanza invisibile che impedisce alle galassie di dissolversi.

[1] The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? http://en.wikipedia.org/wiki/The_God_Particle:_If_the_Universe_Is_the_Answer,_What_Is_the_Question%3F
[2] Gli esperimenti che hanno circoscritto il campo di energie in cui il bosone di Higgs dovrebbe essere rilevabile sono  ATLAS  (116-130 Gev) guidato da Fabiola Gianotti e CMS (115-127 Gev) guidato da Guido Tonelli.
[3] L’uso del condizionale nella domanda mi pare d’obbligo, visto che ancora non sappiamo con certezza se questo bosone esista o meno.
[4] La forza nucleare debole ha un raggio d’azione cortissimo, solo  10 -18 metri.
[5] Politics, Solid State and the Higgs: http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html

Pubblicato originariamente su Il Poliedrico: http://ilpoliedrico.altervista.org/2011/12/oltre-il-modello-standard-e-il-bosone-di-higgs.html

Umberto

Il satellite ROSAT  (ROengten SATellite), osservatorio in X, lanciato nel 1990 dalla NASA e gestito per anni dal German Aerospace Center (DLR) ritornerà a Terra entro i prossimi 10-15 giorni. L’attuale stima migliore del luogo del rientro è compresa tra il 22 e il 24 ottobre in una regione ancora non determinata.

Sebbene ROSAT sia più piccolo e meno massiccio del famoso satellite della NASA UARS che qualche settimana fa, il 24 settembre, è rientrato in atmosfera causando un po’ di ansia anche per gli italiani del nord Italia, più di un pezzo del satellite ROSAT potrà raggiungere la superficie del nostro pianeta. Questo perchè l’osservatorio spaziale è formato da materiale ignifugo. Secondo uno studio del DLR, più di 30 singoli frammenti potrebbero rimanere intatti nonostante le altissime temperature quando l’osservatorio X penetrerà nell’atmosfera. Il frammento più grande dovrebbe essere lo specchio del telescopio, che ha una massa di ben 1,7 tonnellate.

Il satellite ROSAT ripreso il 13 ottobre. Cinque secondi di esposizione, con Canon EOS 450D, ISO 400. Cortesia SpaceWeather.com . La foto è stata realizzata da Marco Langbroek, Paesi Bassi.

Lo scorso 13 ottobre, Marco Langbroek ha fotografato ROSAT mentre transitava sopra il cielo di Leiden, nei Paesi Bassi. Questa immagine è stata pubblicata su SpaceWeather.com. Il satellite era molto luminoso, di magnitudine +1, ed è passato mentre stavano spuntando le prime stelle.

Non è possibile fare previsioni per il rientro se non due o tre ore prima del suo rientro, proprio come è successo qualche settimana fa con UARS.

ROSAT è un osservatorio orbitante che è stato lanciato il primo giugno 1990 da Cape Canaveral per studiare i raggi X. La sua massa è di 2,4 tonnellate. Dal 12 febbraio 1999 non è più operativo.

“A causa dell’impatto con l’atmosfera terrestre, il satellite dovrebbe esplodere rompendosi in circa 30 pezzi, per un totale di 1,6 tonnellate. Ma per ora sono solo ipotesi, i calcoli più precisi si potranno avere solo più avanti” ha affermato Paolo D’Angelo, esperto storico dello Spazio e Segretario Nazionale dell’Italian Space Society. “Quando è precipitato il satellite UARS della NASA il 24 settembre scorso, i rischi erano maggiori perchè si trattava di un satellite più grande. Per ROSAT aspettiamo prima di allarmarci” ha concluso D’Angelo.

L’Agenzia Spaziale Tedesca ha fatto sapere che solo una settimana prima dell’impatto si potranno avere maggiori informazioni sui tempi del rientro, all’interno di una finestra di tre giorni.

ROSAT diventerà sempre più luminoso nei prossimi giorni, man mano che abbasserà la sua orbita. Il passaggio del satellite sopra le nostre teste è minuziosamente riassunto su Satellite Flybys: http://spaceweather.com/flybys/?PHPSESSID=p0gqtnt1pv4rfrhnkq8lemcll3

Fonte SpaceWeather.com: http://spaceweather.com/

Sito web del Max Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik dedicato a Rosat: http://www.mpe.mpg.de/xray/wave/rosat/mission/rosat/index.php da cui è stata tratta l’immagine di apertura.

Sabrina

Le immagini di questo articolo sono state tratte da: http://carlbrannen.wordpress.com/ e modificate solo nel colore.

Ricercatori del CERN di Ginevra, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano (INFN)- Laboratorio del Gran Sasso, guidato dall’italiano Antonio Ereditato, hanno osservato che i neutrini possono viaggiare ben oltre la velocità della luce.

Le particelle hanno attraversato i 730 chilometri che separano il CERN dal Laboratorio italiano del Gran Sasso ad una velocità superiore a c, considerata un limite insuperabile.

La velocità dei neutrini è stata misurata da OPERA, che fa parte dell’Esperimento CNGS (Cern NEutrinoS to Gran Sasso) dove un fascio di neutrini viene lanciato dal CERN verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dell’INFN. Il risultato è che i neutrini viaggiano ad una velocità di circa 60 nanosecondi superiore a quella della luce (1 nanosecondo è pari ad un miliardesimo di secondo, 10^-9 s).

Sono stati necessari tre anni di ricerca per verificare le misure di altissima precisione. I dati provengono da misure effettuate da OPERA nel 2009, 2010 e 2011 e che hanno portato a una conclusione davvero interessante che, se verrà confermata, potrebbe rivoluzionare le fondamenta della fisica. «Abbiamo passato sei mesi solo a rifare i calcoli», ha raccontato Dario Autiero, responsabile dell’analisi delle misurazioni. Per verificare i dati sono stati presi in considerazione la deriva dei continenti e gli effetti del terremoto dell’Aquila del 2009. «Ora siamo abbastanza sicuri dei nostri risultati», conclude Ereditato, «ma vogliamo che altri colleghi possano verificarli e confermarli».

Il 2 ottobre 2007 venne fotografato il primo evento prodotto da uno dei neutrini tra i molti milioni arrivati al Gran Sasso dal CERN di Ginevra, coprendo i 730 chilometri di distanza tra i due prestigiosi laboratori di fisica. Il fascio di neutrini, sparato dal CERN, attraversò mezza Italia sottoterra e, grazie alla curvatura terrestre, riemerse proprio lì, sotto il Gran Sasso, dove vennero analizzati.

I netrini sono particelle elementari, le più piccole che conosciamo, e che interagiscono pochissimo con la materia, nel senso che possono attraversare la materia quasi senza essere disturbate dagli atomi che la compongono. E’ per questo motivo che noi non ci rendiamo conto della loro presenza, anche se dalla nostra stella, il Sole, arrivano sulla Terra qualche miliardo di neutrini per centimetro quadrato ogni secondo.
Fino a qualche tempo fa si supponeva che il neutrino fosse privo di massa. Ora l’obiettivo è capire se il neutrino ha o meno massa per avere una maggiore conoscenza su come si sia formato il nostro Universo e capire quale ruolo posso avere nella materia oscura di cui sembra pieno l’universo e che non riusciamo a osservare, proprio perchè è oscura.
Di neutrini ne esistono tre tipi: elettronico, mu e tau (dalle lettere greche con cui vengono definiti).

Sul finire degli anni Cinquanta del secolo scorso l’astrofisico italiano Bruno Pontecorvo ebbe un’importante intuizione: se il neutrino fosse dotato di massa, esso sarebbe soggetto al fenomeno fisico dell’oscillazione, ossia qualunque tipo di neutrino potrebbe trasformarsi, viaggiando nello spazio, negli altri due tipi. L’esperimento del Gran Sasso ha come base proprio questa intuizione, o teoria di Pontecorvo. Il fascio di neutrini che parte dal Gran Sasso è composto di neutrini di tipo mu, e se fossero dotato di massa, durante il loro viaggio si trasformerebbero continuamente. In un fascio di netrini di tipo mu si vuole cercare di vedere se questi si trasformano in parte in neutrini di tipo tau.

Per riuscire a trovare questi neutrini nel fascio di neutrini si deve sparare nella giusta direzione un fascio di particelle molto concentrato, che, dal CERN di Ginevra arriva al Gran Sasso con un diametro di circa 800 metri. Perchè la probabilità che un neutrino si trasformi da mu a tau sia alta, bisogna che il percorso sia alto. Al Gran Sasso, i neutrini vengono raccolti in 1500 tonnellate di materia contro cui le particelle si scontrano. E’ il bersaglio OPERA, formato da 156 mila mattoncini composto di vari strati di piombo e di emulsioni e che si può immaginare come un’immensa pellicola fotografica. Una volta che il neutrino arriva e interagisce nel mattoncino di OPERA produrrà il leptone tau, una particella  carica con un tempo di vita molto piccolo e che decadrà in altre particelle. La particella lascerà un’impronta sul mattoncino che verrà misurata con una precisione micrometrica. Per capire dove il neutrino è andato a finire, ossia quale mattoncino ha colpito, vi sono dei particolari rivelatori elettronici che segnalano dov’è avvenuta l’interazione.

I neutrini muonici si muovono dunque, in base alle ultime scoperte, con una velocità leggermente superiore a quella della luce. Ma per il momento è ancora presto per dare una risposta definitiva e bisogna aspettare le conferme dal mondo della ricerca internazionale. Ci sono almeno tre importanti fondi di errori nelle misure: la misura della distanza percorsa, il tempo di percorrenza e il cosiddetto “time structure of the accelerator”, ossia capire come giocano i protoni che producono i neutrini negli acceleratori in questi esperimenti.

«Abbiamo sincronizzato la misura dei tempi tra il Cern e il Gran Sasso con un’accuratezza al nanosecondo e abbiamo misurato la distanza tra i due siti con una precisione di 20 centimetri», ha affermato Dario Autiero il ricercatore che ha presentato i dati al CERN nella conferenza stampa di qualche giorno fa. «Nonostante le nostre misure abbiano una bassa incertezza sistematica e un’elevata accuratezza statistica – ha aggiunto – e la fiducia riposta nei nostri risultati sia alta, siamo in attesa di confrontarli con quelli provenienti da altri esperimenti».

Forse le dimensioni non sono solo quattro (tre dimensioni spaziali e una quarta temporale) oppure la velocità della luce non è un limite invalicabile. Einstein elaborò una teoria più generale di quella di Newton, e che a sua volta non è probabilmente completa. Forse la teoria di Einstein potrebbe essere valida solo in alcuni ambiti e non in altri, e bisogna perciò formulare una teoria più generale della Teoria della Relatività einsteniana. «Einstein non muore», afferma il Presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Roberto Petronzio. E’ sicuramente una scoperta che «potrebbe avere conseguenze enormi, cambiando il nostro modo di vedere l’universo».

«I fenomeni osservati – continua Petronzio – non riguardano certamente la vita di tutti i giorni. Bisogna considerare che la Teoria della Relatività di Einstein coinvolge effetti su larga scala, misurati sulle distanze cosmiche. [...] È come pensare a far scorrere la mano su una superficie liscia al tatto, ma che vista a livello atomico è un colabrodo. La mano però ha una dimensione tale da non percepire la realtà al livello degli atomi».

«Adesso ci sarà un’ondata di scetticismo, come è sempre accaduto per tutte le grandi scoperte. Basti pensare – aggiunge – che la teoria sull’effetto fotoelettrico che portò Einstein ad avere il Nobel all’inizio era stata bollata come bizzarra». Non c’è però dubbio che, se la teoria sarà confermata, «lavoreremo su questo per anni perchè ha una portata fondamentale» conclude Petronzio.

OPERA è un esperimento che coinvolge circa 160 ricercatori di 11 paesi: l’Italia e la Svizzera ovviamente, e vari Istituti di Belgio, Corea, Croazia, Francia, Germania, Giappone, Israele, Russia e Turchia.

Comunicato stampa del CERN di Ginevra: http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html
Aticolo originale: “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam” by The OPERA Collaboraton: T. Adam, N. Agafonova, A. Aleksandrov, O. Altinok, P. Alvarez Sanchez, S. Aoki, A. Ariga, T. Ariga, D. Autiero, A. Badertscher, A. Ben Dhahbi, A. Bertolin, C. Bozza, T. Brugiére, F. Brunet, G. Brunetti, S. Buontempo, F. Cavanna, A. Cazes, L. Chaussard, M. Chernyavskiy, V. Chiarella, A. Chukanov, G. Colosimo, M. Crespi, N. D’Ambrosios, Y. Déclais, P. del Amo Sanchez, G. De Lellis, M. De Serio, F. Di Capua, F. Cavanna, A. Di Crescenzo, D. Di Ferdinando, N. Di Marco, S. Dmitrievsky, M. Dracos, D. Duchesneau, S. Dusini, J. Ebert, I. Eftimiopolous, O. Egorov, A. Ereditato, L.S. Esposito, J. Favier, T. Ferber, R.A. Fini, T. Fukuda, A. Garfagnini, G. Giacomelli, C. Girerd, M. Giorgini, M. Giovannozzi, J. Goldberga, C. Göllnitz, L. Goncharova, Y. Gornushkin, et al. (117 additional authors) su ArXiv: http://arxiv.org/abs/1109.4897 ; l’articolo in pdf è disponibile su: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf

Fonte delle interviste:

La Repubblica: http://www.repubblica.it/scienze/2011/09/22/news/neutrini_pi_veloci_della_luce_studio_italiano_supera_einstein-22085384/
Il Mattino: http://www.ilmattino.it/articolo.php?id=163992&sez=SCIENZA
Ulteriori informazioni sul neutrino: http://carlbrannen.wordpress.com/2008/06/21/neutrino-oscillation-or-interference/ da cui ho tratto le immagini di questo post.

Un’intervista interessante al ricercatore Fabrizio Tamburini dell’Università di Padova la potete trovare su:

http://video.virgilio.it/neutrini-l-astrofisico-tamburini-relativita-non-in-discussione__1191376220001.html?fb_ref=shrbox_recommend&fb_source=profile_oneline

Sabrina