Ritratti: Peter Higgs

Era il 4 luglio del 2012 e tra il pubblico c'era un vecchio signore di 83 anni. Le indiscrezioni dicevano che sarebbe stato dato un annuncio importante. Legato a qualcosa che quel vecchio signore aveva previsto. Con grande emozione, in una sala gremita di ricercatori, sotto la guida di Rolf Heuer, i due spokesperson dei due esperimenti ATLAS e CMS, annunciano la scoperta di un nuovo bosone, le cui caratteristiche sono compatibili con quelle della particella descritta da quel signore lì. Che scoppia in lacrime.
Quel signore era Peter Higgs:

Particelle familiari

Il bosone di Higgs ha trainato per molti anni la comunicazione scientifica italiana. Testi sulla meccanica quantistica, il modello standard e argomenti correlati sono stati successivamente arricchiti dalla scoperta della particella mancante al quadro che i fisici della particelle avevano costruito sul mondo microscopico, quello dei mattoni fondamentali su cui è costruito l'universo. Raccontare questo mondo e la sua rivoluzione è dunque al tempo stesso semplice e complesso: semplice per via di ciò che è ormai saldamente consolidato, complesso per via di ciò che ancora non si sa, oltre che della gran mole di testi divulativi che parlano, e anche bene, dell'argomento. Per cui Particelle familiari potrebbe sembrare l'ennesimo libro di divulgazione sull'argomento "modello standard e dintorni", oppure l'ennesimo libro sulla scoperta del bosone di Higgs, visto che il suo autore, Marco Delmastro, lavora proprio per l'esperimento ATLAS, la grande collaborazione che ha scoperto, insieme con i "concorrenti" del CMS, le tracce di questo sfuggente bosone. Alla fine è entrambe le cose, ma anche qualcosa di più, e anche qualcosa di meno, in perfetto stile quantistico.

Le grandi domande della vita: Il giorno più lungo

In questa edizione estiva, oltre a celebrare il solstizio d'estate, un paio di domande sulla nascita dell'universo e un'annosa questione legata ai rapporti evolutivi tra uomini e donne.

Il solstizio d'estate

Oggi alle 17:54 è iniziata l'estate astronomica. Durante il solstizio d'estate, le ore di luce sono massime: il Sole è visibile nel cielo dall'alba al tramonto per all'incirca 15 ore, 6 minuti e 30 secondi. Da domani in poi le ore di luce andranno via via diminuendo in maniera sempre più impercettibile fino all'equinozio d'autunno, quando le ore diurne e quelle notturne dureranno 12 ore ciascuna. La diminuzione delle ore diurne continuerà fino al solstizio d'inverno, che quest'anno cade il 22 dicembre, quando saranno le ore notturne a raggiungere la loro durata massima. Dal solstizio d'inverno le ore di luce ricominceranno ad aumentare fino al successivo solstizio d'estate, passando nel frattempo per l'equinozio di primavera che, come quello d'autunno, è definito dalla durata di 12 ore ciascuno per notte e dì.
La principale causa dell'alternarsi delle stagioni sulla Terra è l'inclinazione dell'asse terrestre rispetto al piano di rotazione. Questo, infatti, risulta inclinato di circa $23.4^\circ$ rispetto alla perpendicolare al piano. Questo vuol dire anche che i due emisferi nord e sud sperimentano stagioni opposte uno rispetto all'altro, mentre i punti in cui il Sole sorge e tramonta ogni giorno si spostano nel corso dell'anno e non sono mai esattamente a est e ovest tranne che in due giorni all'anno.
Di riti e celebrazioni legate al solstizio d'estate il mondo è decisamente pieno: in questa sede mi limito semplicemente a ricordare che in Italia il solstizio d'estate è legato alla figura di San Giovanni Battista, che in effetti viene festeggiato il 24 giugno. Questa scelta è ovviamente dovuta all'obiettivo non solo di sovrapporsi, ma far dimenticare i riti pagani precedenti all'avvento della chiesa cattolica. La festa del solstizio, infatti, sembra durasse dai 3 ai 4 giorni e nell'antica Roma culminava proprio il 24 giugno con la festa del Natalis Solis Invicti, la festa dell'invincibile sole nascente⁽¹⁾.

Un bosone per domarli

Come l'anno scorso, più o meno nello stesso periodo, torno a Parabiago per proporre alcune conferenze all'interno di un corso di autoformazione dei docenti dell'area di matematica e fisica del Liceo Cavalleri. Quest'anno il tema principale scelto è stato il bosone di Higgs, da cui il titolo tolkeniano della serie di incontri (e di questo articoletto). L'incontro per la progettazione delle conferenze è avvenuta all'incirca nel periodo in cui avevo in scrittura il trittico di articoli dedicati a J.R.R. Tolkien, da cui l'ispirazione per il titolo che ho proposto.
In particolare oggi abbiamo iniziato con il Modello Standard, raccontato dal buon Giovanni Guido, che mi ha concesso di raccontare qualcosa sul bosone di Higgs. Ho basato la presentazione su un articolo scritto un anno prima dell'annuncio della scoperta del bosone per la prima parte, poi concentrandomi nella seconda su un trittico di articoli didattici di Giovanni Organtini, in particolare su Unveilling the Higgs mechanism to students⁽¹⁾. Le note che seguiranno tratteranno innanzitutto quest'ultimo articolo.

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Una domanda legittima quando si vuole provare ad affrontare con degli studenti delle scuole superiori un argomento come quello del bosone di Higgs e dei meccanismi che vi stanno dietro, è come raccontare la storia senza utilizzare la matematica che è stata veramente usata da Peter Higgs e soci. Un modo per venire incontro a tale esigenza utilizzando leggi per lo più note agli studenti è proprio l'obiettivo di quanto segue:

Tullio Regge e la rottura di simmetria

Capire come avvenga la rottura della simmetria non è facile; può servire la seguente similitudine creata dal fisico italiano Tullio Regge:
Si immagini una scodella circolare allargata verso l'alto, il cui fondo non sia piatto, ma con un rialzo centrale circondato da un solco il cui bordo esterno poggi su un tavolo orizzontale. Delle palline lanciate internamente alla scodella con velocità sufficientemente alta (energia elevata) ruotano premute dalla forza centrifuga contro la superficie interna della scodella. Esse presentano simmetria circolare. Quando l'energia diminuisce, le palline cadono verso il basso e si vanno a fermare nel solco del fondo in punti diversi e non presentano più simmetria circolare: la simmetria circolare si è rotta spontaneamente. Nella similitudine la scodella è l'universo, il campo di gravità che rompe la simmetria è il campo di Higgs.

- via Ottavio Serra (pdf)

Una breve storia delle (poche) rilevazioni del bosone di Higgs

A volte uscendo dall'ufficio si discute ancora di fisica con chi, come me, resta quasi fino alla chiusura di Palazzo Brera. E visto che si sa che sono un fisico teorico delle particelle, a volte succede che si discute di Modello Standard e, come questa sera, di bosone di Higgs. L'annuncio della scoperta avvenne nel luglio 2012 e visto che lavoro in un Osservatorio Astronomico, sorge inevitabile la domanda su misure indipendenti relative alla sua rilevazione e su quante volte sia stato osservato il bosone di Higgs dal 2012 in poi.
Nel caso di un esperimento così imponente e in assenza di un acceleratore di particelle in grado di rivaleggiare con l'LHC, l'idea per rendere solida la scoperta del bosone di Higgs è stata quella di ideare due rivelatori gestiti da due collaborazioni distinte, ATLAS e CMS, in modo da avere un esame distinto di dati più o meno differenti anche se provenienti dallo stesso run di misure (se preferite: dallo stesso giro di giostra delle particelle contenute nell'acceleratore).
Se questo forniva una verifica sulla scoperta, data dal fatto che sarebbe bastata l'assenza del segnale in uno qualsiasi dei due esperimenti per invalidare la scoperta nell'altro esperimento, la rarità di produzione del processo non poteva garantire osservazioni future. E così in effetti è stato per un certo periodo, anche a causa di un lungo stop per l'aggiornamento dell'acceleratore. In particolare, dopo la ripartenza del 2015, è esattamente di quest'anno una nuova osservazione del bosone di Higgs, in particolare del processo di decadimento di quest'ultimo in due quark, il top e l'antitop. I due quark, così come il bosone di Higgs, non vengono osservati direttamente, ma attraverso la ricostruzione statistica delle particelle che producono nel corso delle collisioni che avvengono in ogni istante nell'anello dell'acceleratore.
Certo, l'osservazione delle onde gravitazionali, che è stata peraltro messa in dubbio, in qualche modo risulta ancora più solida di quella del bosone di Higgs, ma avere una nuova rilevazione della particella responsabile del meccanismo con cui le particelle acquisiscono la loro massa (ricordo che ancora non si sa perché la massa dell'elettrone - e di tutte le altre particelle - è quella che è e non un'altra) è comunque qualcosa di prezioso, soprattutto se legata a un evento raro come il suo decadimento in una coppia di quark-antiquark.

Sirunyan, A. M., Tumasyan, A., Adam, W., Ambrogi, F., Asilar, E., Bergauer, T., ... & Flechl, M. (2018). Observation of t t¯ H Production. Physical Review Letters, 120(23), 231801. doi:10.1103/PhysRevLett.120.231801

Gita al CERN su Topolino #3136

@TopolinoIT goes to @CERN cc @marcodelmastro

Paperino e Paperoga vanno al CERN: dopo attenti controlli nessun cavo risulta staccato!

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Un paio di anni fa circa un gruppo di fumettisti capitanato da Andrea Plazzi era andato in gita al CERN. Il primo risultato di questo incontro è stato OraMai di Tuono Pettinato, uscito in occasione di Lucca Comics 2014. Sull'ultimo numero di Topolino del 2015 (o primo del 2016, dipende se si prende per buona la data d'uscita o quella indicata sulla copertina) ecco comparire una breve storia di 6 pagine di genere graphic journalism ad opera di Francesco Artibani e Giuseppe Ferrario che racconta in breve ai lettori del settimanale disneyano cos'è il CERN e cosa si sta facendo presso i suoi laboratori.

Acceleratori, particelle e bosoni

A guidare Paperino e Paperoga, i due inviati speciali disneyani, ci sono Antonella Del Rosso, editor del CERN Bulletin e del CERN Courier, Marco Delmastro, uno dei fisici di ATLAS, immagino noto ai lettori di DropSea e ultimamente anche ai lettori di fumetti, e Fabiola Gianotti, che dal 1° gennaio 2016 ricoprirà la carica di direttore del CERN anche grazie al ruolo centrale avuto nei giorni che annunciarono al mondo la scoperta del bosone di Higgs.
Le spiegazioni all'interno di Elementare, Paperino! sono belle, semplici ed efficaci e come nello stile di questi graphic reportage topolineschi Ferrario disegna i personaggi disneyani nel suo stile originale con un corredo di fotografie e illustrazioni ufficiali.
A farla da padrone è ATLAS, il grande rilevatore di particelle che insieme con CMS ha rilevato le tracce del bosone di Higgs che hanno permesso di completare la descrizione sperimentale prevista dal modello standard delle particelle elementari.

Ricordando, poi, il ruolo centrale del CERN nello sviluppo dell'architettura dietro il www, è a mio giudizio importante tanto quanto il ruolo scientifico ricoperto dai laboratori anche il ruolo di messaggero di pace, molto ben enfatizzato da un paio di vignette che sottolineano la provenienza mondiale dei fisici e ingegneri che collaborano al funzionamento di LHC.

Il bosone di Higgs sotto i cieli di Brera

Per i I cieli di Brera, il 24 settembre (domani... scusate per il ritardo nell'annuncio...) alle 18 presso la Sala delle Adunanze dell'Istituto Lombardo nel Palazzo Brera sito in via Brera 28 (Milano), si terrà la conferenza La fisica delle particelle e il Large Hadron Collider: recenti sviluppi e questioni aperte:

Cristina Lazzeroni ci introdurrà alla fisica delle particelle e agli studi fatti al Large Hadron Collider del Cern di Ginevra mettendo l’accento su recenti sviluppi come la scoperta di una nuova particella consistente con il bosone di Higgs e sulle questioni ancora aperte.

Recenti sono gli ultimi risultati di ricerca pubblicati relativi al bosone di Higgs. Vado a tradurvi la news uscita su Nature:

I ricercatori hanno ridotto l'incertezza della loro stima della massa del bosone di Higgs, la particella che si pensa conferisca massa alla materia.
La collaborazione ATLAS, uno dei due team che ha rilevato l'Higgs al Large Hadron Collider nei pressi di Ginevra, Svizzera, ha rianalizzato i dati e migliorato la calibrazione del rivelatore per rilasciare la massa rivista di 125.36 GeV, con un errore sistematico di 0.18 GeV (un miglioramento di un fattore 3).
La misurazione affinerà la predizione sul comportamento dell'Higgs e aiuterà a identificare potenziali fenomeni non previsti dal Modello Standard, ricorda il gruppo.

L'articolo è stato pubblicato su Physical Review D, rilasciato con licenza Creative Commons 3.0:

Aad G., J. Abdallah, S. Abdel Khalek, O. Abdinov, R. Aben, B. Abi, S. H. Abidi, M. Abolins, O. S. AbouZeid & H. Abramowicz & (2014). Measurement of the Higgs boson mass from the $H\to \gamma \gamma$ and $H\to Z{Z}^{*}\to 4\ell$ channels in $pp$ collisions at center-of-mass energies of 7 and 8 TeV with the ATLAS detector, Physical Review D, 90 (5) DOI: http://dx.doi.org/10.1103/physrevd.90.052004

Vi segnalo anche Higgs Mass Comes into Clearer Focus di David Voss. A quest'ultimo aggiungo anche una selezione dei post sul bosone di Higgs che ho scritto sul blog:
Accerchiando il bosone di Higgs | I giorni dell'Higgs | Scoperta di un bosone | Il bosone, lo spin e il gravitone | Il credito dovuto a Peter Higgs
Infine due parole sulla conferenziera:

Cristina Lazzeroni si è laureata e dottorata in fisica nel presso l'università di Pisa. Ha poi proseguito i suoi studi sulla fisica delle particelle a Edimburgo, poi Cambridge e dal 2007 è ricercatrice presso l'Università di Birmingham; oggi Professore Associato ha pubblicato più di 100 articoli su riviste internazionali di settore. E' un'entusiasta comunicatrice ed ha organizzato svariate mostre di particelle elementari per il grande pubblico in Gran Bretagna.

Particle Clicker: gestire un esperimento di LHC

In particolare uno tra ATLAS e CMS, i due esperimenti giunti agli onori delle cronache per la scoperta del bosone di Higgs.
E' possibile, infatti, da un paio di settimane, giocare a Particle Clicker, un bel gioco gestionale che fa comprendere quanto sia complesso, ma anche gratificante gestire un esperimento scientifico come uno dei due citati prima.
Innanzitutto la schermata: è suddivisa in quattro frame. Da sinistra a destra: nel primo sono elencati i risultati di ricerca ottenuti con l'avanzare dei dati; nel secondo, il più grande, è contenuto uno schema dell'esperimento dove compaiono gli eventi di collisione e, sotto, il numero di dati raccolti (che serve per fare le "scoperte"), la reputazione, i fondi; nel terzo sono presenti le varie tipologie di ricercatori che lavorano all'esperimento; nell'ultimo gli aggiornamenti man mano che sono disponibili in base ai fondi raccolti.
Per poter iniziare, bisogna cliccare nel frame dell'esperimento (cui è possibile dare il nome che si vuole), operazione che potrà essere ridotta fino ad annullarla man mano che avremo i fondi necessari per assumere personale.
Il gioco, poi, grazie ai salvataggi, può essere ripreso in ogni momento, ovviamente a meno di una cancellazione dei dati di navigazione da parte del giocatore.
Del gioco vi riferisco, però, solo ora semplicemente perché, nel primo pomeriggio... ho scoperto il bosone di Higgs!

P.S.: la pagina del CERN dedicata al bosone di Higgs

Il credito dovuto a Peter Higgs

L'annuncio del luglio 2012 della scoperta di un nuovo bosone ha in pratica dato inizio a quella che per molti è la volata di Peter Higgs verso il Premio Nobel per la Fisica, un percorso certo irto di polemiche visto che il meccanismo che sta alla base della predizione teorica dell'esistenza di questa particella è dovuto a un folto gruppo di persone, partendo da Englert e Brout citati dallo stesso Higgs in uno dei suoi tre articoli sull'argomento.
Higgs, infatti, decise di preparare il terreno per la sua scoperta matematica attraverso due articoli preparatori, usciti entrambi nel 1964, che rispetto all'ultimo, pubblicato nel 1966, potremmo quasi definire divulgativi.
Nonostante questo alcuni ingredienti necessitano di alcuni chiarimenti. Innanzitutto il concetto di simmetria, che dovremmo avere più o meno tutti quanti (basta guardarci allo specchio e osservare che le nostre metà destra e sinistra sono approssimativamente uguali) e il conseguente concetto di rottura di simmetria, ovvero quando una simmetria non è più valida (ad esempio quando ci guardiamo allo specchio e le due metà destra e sinistra presentano delle differenze evidenti, magari a causa di un qualche incidente). Una simmetria, ad ogni modo, è, più o meno tecnicamente, una trasformazione dello spazio che non modifica la distanza tra i punti del sistema su cui agisce. Una qualunque grandezza che da questa simmetria viene lasciata invariata è detta invariante di quella trasformazione, quindi quando si "parlerà" di Lorentz-invariante, ciò che si intende è che l'oggetto (o la teoria) viene lasciato invariato dall'azione della simmetria identificata come trasformazione di Lorentz. E quest'ultima è anche la trasformazione di simmetria su cui si basa la relatività, scoperta quando si capì che le equazioni di Maxwell non erano invarianti sotto l'azione delle trasformazioni di Galileo.
Tutto questo è necessario per capire quanto seguirà a breve: innanzitutto si parte con il teorema di Goldstone, secondo cui ogni soluzione di una teoria Lorentz-invariante, ovvero di una qualunque teoria le cui equazioni sono lasciate invariate dall'azione di una trasformazione di Lorentz, e che viola una simmetria interna di tale teoria deve contenere una particella scalare senza massa⁽¹⁾.
Mentre Klein e Lee hanno mostrato che tale teorema non è necessariamente valido per una teoria non relativistica, Gilbert fornisce una dimostrazione del fatto che il fallimento del teorema di Goldstone nel caso non relativistico non può accadere quando si impone l'invarianza per Lorentz⁽¹⁾.
E' qui che si incastra il lavoro di Higgs, che nel primo di tre articoli del 1964 mostra che gli argomenti di Gilbert falliscono per una serie di teorie di campo in cui le correnti conservate sono accoppiate ai campi di gauge⁽¹⁾.
Conseguenza di questi accoppiamenti è l'acquisizione di massa da parte dei campi di gauge di spin 1, le cui particelle corrispondenti coincidono con i bosoni di Goldstone quando l'accoppiamento tende a zero⁽²⁾.
Dopo aver fatto tutta una serie di calcoli qualitativi e, come li ha definiti lo stesso Higgs, classici, il fisico teorico britannico arriva all'importante conclusione che, quando si introduce un ulteriore meccanismo per rompere la conservazione del numero quantico $Y$, uno dei campi di gauge coinvolti acquista massa, lasciando il solo fotone come particella messaggero priva di massa⁽²⁾.
L'ultimo passo avviene poco più di un anno dopo (quasi due, editorialmente parlando) con la proposizione di una teoria relativistica semplice dove come conseguenza della rottura spontanea della simmetria $U(1)$, uno dei bosoni scalari risulta privo di massa, come da teorema di Goldstone. Quando, però, si passa dalle trasformazioni di simmetria globali a quelle locali, il bosone di Goldstone in pratica acquista massa⁽³⁾.
In questo caso $U(1)$ è il gruppo di simmetria dei numeri complessi di norma 1 (o più tecnicamente è il gruppo unitario delle matrici unitarie $1 \times 1$: in un certo senso potete immaginare il gruppo $U(1)$ come i punti di un cerchio di raggio 1 senza commettere degli errori eccessivi in tale raffigurazione.
Ad ogni modo tutti questi elementi qui raccontati sono alla base del lavoro di Peter Higgs (che per me il Nobel lo merita grazie a questa semplice lezione di stile), quello che tanto sta facendo parlare di sé visto che in moltissimi puntano su di lui come vincitore del Nobel per la Fisica 2013 che verrà a breve assegnato. Ed è anche per questo che mi sono preso la briga di tradurre una lettera inviata da John Ellis a Science in risposta a un focus di Adrian Cho dal titolo esplicito Who Invented the Higgs Boson?.

Guido Tonelli racconta il bosone di Higgs

Saranno tre quarti d'ora che passeranno in fretta e molto leggeri. Tutto vi sembrerà, alla fine, molto chiaro e interessante.
Buona visione e buon ascolto!

Il bosone, lo spin e il gravitone

ATLAS ha rilasciato un lavoro, immagino allo stadio preliminare, sullo spin del nuovo bosone. I canali di decadimento esaminati sono gli ormai famosi 4: $H \rightarrow \gamma \gamma$, $H \rightarrow WW^*$, $H \rightarrow l\nu l\nu$, $H \rightarrow ZZ^* \rightarrow 4l$. L'idea è quella di combinare i dati dai 4 canali di decadimento per capire quale sia lo spin di questo nuovo bosone, in particolare per distinguere tra due casi, spin 0 ($J^P = 0^+$), e quindi un bosone compatibile con il Modello Standard, e spin 2 ($J^P = 2^+$), che potrebbe essere collegato con un modello (arXiv) che presenta un accoppiamento leggero tra i campi del Modello Standard e l'ipotetico gravitone.
Queste le conclusioni di ATLAS:

I dati sono in buon accordo con le distribuzioni attese di una particella con $J^P=0^+$ mentre il modello ispirato al gravitone con $J^P=2^+$, che ci si aspetta essere prodotto principalmente attraverso un processo di fusione gluonica, è escluso con un livello di confidenza di oltre il 99,9%.

Potremmo quindi dire che sta iniziando il processo di eliminazione dei modelli che dovrebbero guidare la ricerca della nuova fisica nei prossimi anni. Difficile ipotizzare che alla fine ne resterà solo uno, non è nella tradizione della fisica, ma nei tanti che restano un posto d'onore resterà sicuramente al Modello Standard, come lo studio di ATLAS sullo spin del nuovo bosone ha confermato ancora una volta.
Interessante, poi, notare come nel seminario tenuto ieri a Brera da Corrado Lamberti, parlando della SUSY, la teorie supersimmetrica che vorrebbe superare il Modello Standard con un balzo realmente storico, ha affermato qualcosa del tipo:

Il campo di Higgs spunterebbe naturalmente e non sarebbe una aggiunta al Modello Standard

E' in particolare nell'ultima parte che si sintetizzano tutte le critiche principali al bosone di Higgs e al meccanismo che ha permesso di scoprirlo: è sempre stato considerato una aggiunta non troppo naturale, o spontanea al Modello stesso. Forse l'intero problema andrebbe visto in questa prospettiva differente: non è il campo di Higgs a dover essere aggiunto al Modello Standard, ma piuttosto l'inverso, ovvero la matematica del Modello Standard che in qualche modo dovrebbe innestarsi o venir generata dalla matematica del campo di Higgs.

I cieli di Brera 2013 e la scoperta del bosone di Higgs

Riprende l'attività di conferenze divulgative dell'Osservatorio Astronomico di Brera. Quest'anno si inizia con Corrado Lamberti che il 17 aprile 2013 alle 18 racconterà all'uditorio che si presenterà alla Sala delle Adunanze dell'Istituto Lombardo in via Brera de La scoperta del bosone di Higgs.
Proprio sull'argomento Lamberti, astronomo e divulgatore, ha scritto per l'editore Aliberti il libro Il bosone di Higgs. Il trionfo del Modello Standard o l'alba di una nuova fisica?:

Quando i ricercatori celebrano un significativo successo delle loro teorie, quando le idee convergono verso un modello unico, organico, autoconsistente, è il momento di trasmettere al grande pubblico l'insieme delle conoscenze accumulate in decenni di attività teorica e sperimentale. Per la fisica delle particelle, il momento è adesso. Al CERN di Ginevra, il 4 luglio 2012, nel corso di una storica conferenza, i fisici del Large Hadron Collider hanno annunciato di aver scoperto una nuova particella che potrebbe essere il bosone di Higgs, la cui esistenza era stata ipotizzata quasi cinquant'anni fa e che finora era sfuggita a ogni tentativo di rivelazione. Il bosone di Higgs, responsabile del conferimento di una massa a tutte le particelle, era l'ultimo tassello che mancava per completare il quadro di quello che viene chiamato Modello Standard delle Particelle Elementari, una mirabile costruzione che rappresenta la migliore descrizione che attualmente abbiamo del mondo ultramicroscopico. Come si è giunti a formulare questo modello? Attraverso quali intuizioni, deduzioni, verifiche sperimentali? Questo libro ripercorre l'intera storia della fisica delle particelle, avviata giusto cent'anni fa dalla scoperta dei raggi cosmici e del nucleo atomico, e proseguita con la rivelazione dell'antimateria, con l'individuazione delle due interazioni nucleari, la debole e la forte, con la scoperta del neutrino e con l'ipotesi dell'esistenza dei quark.

Di seguito il sommario di tutta l'attività per il 2013, che potete consultare anche sul sito dell'Osservatorio:

La natura ama nascondersi

E' con questa citazione da Eraclito che Franco Reseghetti inizia la sua conferenza sul bosone di Higgs presso il Liceo scientifico Cavalleri di Parabiago, dove sono tornato molto volentieri, su invito di Giovanni Guido, che ho sostituito per le prime tre settimane di scuola, per ascoltare quello che il ricercatore aveva da raccontare ai ragazzi. Visto che ero impegnato contemporaneamente a Rho (la conferenza si è tenuta venerdì 22 marzo), al Liceo Majorana per le lezioni, ho ascoltato la seconda delle due conferenze in programma.
Si inizia con alcune citazioni significative, partendo dal grande Galileo e da un passaggio tratto da Contro il portare la toga:

Perché, secondo l'opinion mia, a chi vuol una cosa ritrovare, bisogna adoperar la fantasia, e giocar d'invenzione, e 'ndovinare

L'importanza della citazione sta proprio nel sottolineare come, a dispetto di quel che si crede, per comprendere come la natura funzioni è necessaria una certa dose di inventiva e di fantasia. In fondo per risolvere dei problemi, siano essi tecnici o matematici, è necessario cercare di inventare nuovi metodi per arrangiare i dispositivi di rilevazione (quando non costruirli da zero!) o combinare tecniche di calcolo matematiche apparentemente differenti una dall'altra.
D'altra parte il lavoro dello scienziato è anche un certosino esame di tesi e ipotesi in modo da stabilire, con la migliore approssimazione possibile, quello che sta avvenendo, come ben riassume sir Arthur Conan Doyle per bocca del suo ben noto personaggio, Sherlock Holmes:

It is an old maxim of mine that when you have excluded the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.

Tratta dal racconto L'avventura del diadema di berilli (The Adventure of the Beryl Coronet) è emblematica proprio dell'atteggiamento con cui porsi di fronte al bosone di Higgs, la cui esistenza era ritenuta da molti impossibile, ma che alla fine si è rivelato, per quanto improbabile, piuttosto reale!
Reseghetti, ad ogni, modo, nonostante sia visibilmente stanco, cerca di tenere desta l'attenzione (cosa in ogni caso difficile quando si sta parlando a diciottenni che vengono ad ascoltarti soprattutto per dovere e non per scelta) e sembra quasi che voglia riprendere gli studenti quando, a un certo punto, dopo un attimo di silenzio da parte sua, dice qualcosa del tipo:

Come capite che io sono qui e che vi sto parlando di fisica?

Attraverso la vista e l'udito: sono queste le timide risposte e sono questo il genere di interazioni che ci permettono di sperimentare e interagire con il mondo circostante. Ed è proprio lo studio delle interazioni fondamentali uno dei punti più importanti dell'indagine fisica.

Gli uomini nucleari

Un ultimo contributo per la discussione di Lucca Comics & Science 2012 dedicato in particolare al bosone di Higgs e alla meccanica quantistica.

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Nel mondo del fumetto l'uomo nucleare per eccellenza è il Dottor Manhattan, ideato da Alan Moore per il suo Watchmen, che più che un uomo nucleare lo definirei un entangledman o qualcosa del genere, ma ci torneremo perché in realtà vorrei iniziare questa breve rassegna con il personaggio che ufficialmente ha ispirato il dottore in blu di Moore, Capitan Atom.
Il personaggio originale, ideato da Joe Gill e Steve Ditko per la Charlton Comics, fa il suo esordio su Space Adventures #33 del marzo 1960 (la serie è in pubblico dominio, e quindi legalmente e gratuitamente scaricabile, per esempio dal Comic Book Plus) e continuerà le sue avventure in maniera più o meno regolare fino all'acquisizione da parte della DC Comics del catalogo dei personaggi Charlton, quando subito dopo Crisi sulle Terre Infinite l'editore newyorkese non decide di cambiare l'identità dietro la maschera al patriottico eroe. Il primo Capitan Atom, infatti, è Allen Adam, una sorta di superuomo della scienza che lavora per l'esercito statunitense con il grado di capitano: è accreditato di non so quante conoscenze nel campo della chimica, della fisica, della biologia, oltre ad essere anche un abile ingegnere visto che nella storia di esordio sta proprio facendo il così detto lavoro sporco per un esperimento spaziale:

Il capitano Adam, però, resta intrappolato nel missile di lancio, che ha una testata atomica, e così finirà vaporizzato nello spazio profondo:

per poi ritornare alla sua stazione militare dopo appena... tre minuti!

Il nostro eroe, fedele alla patria come mai si sono dimostrati il Dottor Manhattan o l'attuale Capitan Atom, in una dimostrazione offerta agli alti papaveri dell'esercito e della nazione mostra i suoi incredibili poteri, che vanno da un leggero controllo sulla materia (è in grado di far scomparire i propri vestiti, nonostante il costume argenteo schermante) alla capacità di volare ad altissime velocità (20000 miglia all'ora) grazie a una sorta di propulsione nucleare. Nell'avventura successiva, poi, mostra un più attento controllo sulla materia quando attraverserà le pareti di una astronave russa persa nello spazio per salvare l'astronauta del nemico (mostrando così che gli Stati Uniti sono meglio) o quando si renderà invisibile mentre riporta in Russia il razzo.
Sin da qui è evidente come il personaggio di Gill e Ditko sia fortemente connotato da due dei principali aspetti di quell'epoca: da una parte un forte nazionalismo, dovuto alla situazione di tensione per via della guerra fredda, dall'altro una grande attenzione a quella che al tempo veniva chiamata come era nucleare, dove l'energia estratta dagli atomi e/o dai nuclei (in fondo facevano un po' di confusione) era vista in maniera positiva, come la possibilità per l'umanità di entrare in un'era di progresso inarrestabile e veloce, come la prima possibilità di avvicinarsi realmente ai mondi fantastici e avveniristici descritti dagli scrittori di fantascienza.
Gli avversari (commerciali) principali di Capitan Atom, però, erano soprattutto il Doctor Solar della Gold Key, Nukla della Dell e il secondo Atom, ovvero il fisico Ray Palmer, della DC Comics. Quest'ultimo, in effetti, aveva ben poco a che spartire con i suoi avversari, visto che doveva il nome alla sua capacità di ridursi alle dimensioni atomiche, mentre Doctor Solar e Nukla erano dei personaggi decisamente molto più simili al Capitan Atom della Charlton, anche se dei tre quello che qualitativamente aveva un passo migliore anche dal punto di vista scientifico era decisamente il Doctor Solar.

Giusto per risollevare un po' il morale

Un po' (tanto) per gioco ho partecipato a questo... gioco indetto da Gravità Zero per spiegare nel modo più semplice possibile e in 140 caratteri il bosone di Higgs.
Ho partecipato con questo tweet

Il campo di Higgs è come acqua saponata e il bosone è il soffio che crea le bolle. Soffi diversi creano bolle/particelle diverse

— Gianluigi Filippelli (@ulaulaman) July 8, 2012

che alla fine è risultato il vincitore!
La descrizione del meccanismo, per quanto vicina ad essere corretta, non è certo esente da ambiguità, come è emerso dalla discussione su Google Plus.
In quella stessa discussione (dovete scorrerla quasi fino in fondo) è anche emersa una immagine che mi è sembrata più efficace per molti motivi, in particolare perché è figlia di un concetto molto importante (in particolare per un fisico teorico!) nella fisica moderna: il mare di Dirac.

Paul Dirac ritratto da George Gamow

Il mare di Dirac è, semplificando (anche in questo caso...), il livello energetico infinitamente pieno dove si trovano le anti particelle e dal quale escono non appena guadagnano l'energia necessaria per emergere nel nostro universo di materia. In un certo senso la proprietà massa della materia di cui siamo fatti, emerge anch'essa, in questo caso dall'ìnterazione con il campo di Higgs e dalla rottura di simmetria.
Come raccontare dunque questa nuova idea, certo più corretta e vicina a quello che i teorici immaginano succeda, utilizzando delle immagini semplici?
Ecco la risposta:

Il campo di Higgs è come un oceano d'acqua con un geyser sul fondo che produce bolle. Quando il geyser produce una bolla sufficientemente grande, questa, che poi possiamo identificare come il bosone di Higgs, raggiungendo la superficie, si scompone in tante piccole bolle d'aria che sono le particelle.

In questo caso la rottura della simmetria, rappresentata con il geyser che produce bolle, è sicuramente un evento interno al sistema fisico e non qualcosa di esterno e non meglio identificato come il soffio del tweet vincitore. Il geyser, poi, produce molte bolle, ma solo una (o comunque a partire da una in poi) si riesce a generare le bolle che poi alla fine emergeranno dall'oceano.
Questa immagine, che certo non mi è riuscito di condensare in 140 caratteri (altrimenti avrei presentato anche questa!), ha sicuramente il pregio di essere meno ambigua, ma continua comunque a restare imprecisa e parziale, come, in fondo, tutte le spiegazioni che cercano di semplificare dimenticandosi, per un motivo o per l'altro, qualche pezzo per strada.

Scoperta di un bosone

Ultimamente ho trascurato un po' i lettori di DropSea, concentrando gli sforzi dedicati al bosone di Higgs su Doc Madhattan, iniziando lunedì con i risultati definitivi di Tevatron. Direi, quindi, che è venuto il momento per me di unirmi ai commentatori italiani della faccenda, dopo che altri colleghi blogger hanno festeggiato l'evento con la tipica intelligenza e sobrietà degli scienziati, mentre i giornali uscivano con titoloni incredibili e a volte, obiettivamente, assurdi (leggetene uno dalle parti di Luca Di Fino).
Iniziamo con il riassumere la giornata di ieri (lo ammetto, ho quasi sbagliato la previsione, ma sono stato contento di essermi sbagliato, ad ogni modo): al mattino, a partire dalle 9, nell'auditorium del CERN a Ginevra i due esperimenti ATLAS e CMS, entrambi con grandi presenze italiane, hanno presentato gli ultimissimi risultati sulla ricerca sperimentale del bosone di Higgs.
A iniziare le danze è stato Joe Incandela per CMS, che con una voce che tremava dall'emozione ha mostrato dati, grafici e i risultati sull'eccesso già mostrato nel seminario tenutosi nella prima metà di dicembre 2011. Le novità, comuni anche con ATLAS, i cui dati sono stati presentati da una impeccabile Fabiola Gianotti (a me il Comic Sans piace!!!), rispetto a quella conferenza: il completamento dell'esame dei dati del 2011 e i dati dei primi sei mesi di collisioni del 2012. Il risultato è diventato evidente proprio grazie ai dati del 2012 (il completamento dei dati del 2011, come si vedrà in maniera evidente in una immagine successiva proposta proprio da ATLAS, sembrava andare addirittura verso un peggioramento nella qualità) e il motivo lo spiega molto bene Marco Delmastro:

nel 2012 si è fatto lo sforzo di portare questa energia [l'energia di collisione dei fasci nel centro di massa] a 8 TeV

Il motivo?

il ritmo di produzione atteso del bosone di Higgs aumenta con l'aumentare dell'energia delle collisioni, e aumenta di più di quanto non aumenti il ritmo di produzione di quasi tutti i rumori di fondo. In sostanza, a 8 TeV il rapporto segnale/rumore è più favorevole che a 7 TeV. Il che significa che, a parità di dati analizzati, a 8 TeV le probabilità di vedere un segnale aumentano, anche in modo sostanziale.

E proprio grazie a questa scelta ecco che i frutti vengono colti sia da CMS

sia da ATLAS

I risultati possono allora così essere riassunti: CMS vede un eccesso con massa $m_H = 125.3 \pm 0.6 GeV$ e una significatività di $4.9 \sigma$; ATLAS vede un eccesso con massa $m_H = 126.5 GeV$ e una significatività di $5.0 \sigma$.
Possiamo allora liberare la gioia: abbiamo visto una nuova particella!
Innanzitutto cerchiamo di capire questa faccenda dei sigma, che Marco spiega in una serie di tre post (lanciare i dadi, Il significato di un eccesso, Zone di rumore di fondo controllato) e che io cercherò, qui, di spiegare nel modo più breve e completo possibile.
La distribuzione maggiormente utilizzata per descrive gli eventi casuali (nel senso degli eventi in cui entra in gioco la probabilità) che ci circondano è la distribuzione gaussiana, una forma a campana il cui picco si trova nel punto a maggiore probabilità, quello che, se ripeti le misure più e più volte, scoprirai di aver trovato più spesso degli altri. La larghezza della campana viene misurata attraverso una quantità chiamata deviazione standard, la sigma, $\sigma$. Se alla fine del mio esperimento fornisco il dato della media della distribuzione e dico di fornirlo con una significatività di $1 \sigma$ sto affermando di aver coperto poco meno del 67% della campana. Infatti se mi sposto, a destra e a sinistra della media, di $1 \sigma$, avrò racchiuso poco meno del 67% dei punti appartenenti alla distribuzione. Già se arrivo a $3 \sigma$ ho coperto il 99.7% della campana, ovvero posso rendere conto del 99.7% dei dati contenuti nella mia distribuzione. Se però riesco a fornire il dato con una significatività di $5 \sigma$, allora quello che sto facendo è coprire il 99.99...% della distribuzione, ovvero quasi tutta la distribuzione a disposizione (ricordiamo che c'è sempre quel piccolo margine di incertezza nella scienza, che cerchiamo sempre di ridurre al minimo o di esplorare non appena ne abbiamo le possibilità tecnologiche).
Per poter dire non solo di aver scoperto una particella, ma di essere in grado di rilevarne una già scoperta, devo quindi fornire i miei risultati con una significatività di $5 \sigma$, che in pratica rappresenta una conoscenza quanto più possibile completa della zona che sto esplorando. Se poi a questo unisco anche il problema che devo cercare di ridurre al minimo il mio errore, e quindi anche la $\sigma$, si capisce che questo compito è tanto più complesso quanto più è, ad esempio, sofisticato lo strumento che sto utilizzando, o quanto più è incredibile la sfida che sto affrontando. E la sfida del bosone di Higgs è certamente una sfida piuttosto complicata, per molti motivi. Come vedremo tra poco.

Un decadimento con 4 elettroni candidato come decadimento di un Higgs registrato ad ATLAS nel 2012 (fonte ATLAS)

Un candidato, per ora

Accontentatevi di questa immagine, diffusa da ATLAS, che rappresenta un processo contenente il bosone che è stato annunciato oggi a Ginevra, il probabile bosone di Higgs (o forse è quelcos'altro!).
Per chi non ha voglia di aspettare, consiglio di leggersi quello che ho già scritto su Doc Madhattan. La versione in italiano spero arriverà presto!

I giorni dell'Higgs

Ed eccomi qui, buon ultimo, se vogliamo, con molti commenti, alcuni più illustri di altri, che sono giunti sul web. Per leggerli vi basta arrivare in fondo al post, ma per iniziare bene la lettura, eccovi cosa scrivevo un paio di giorni prima della famosa conferenza:

Non ci sarà alcun annuncio clamoroso, ma solo dei nuovi e più stringenti limiti sulla massa dell'Higgs

La conclusione della conferenza di ieri alla fin fine ha confermato quella impressione. I due seminari, tenuti dai due rappresentanti, i due spokerperson, delle collaborazioni ATLAS e CMS, Fabiola Gianotti e Giulio Tonani, non hanno infatti ancora dato una certezza né presentato un segnale della scoperta dell'Higgs. Sia ATLAS sia CMS hanno proposto i loro nuovi limiti, basati sui dati raccolti nel corso di quasi tutto il 2011, e la sintesi di questi dati è stata tratta nella press release ufficiale del CERN, visto che quella ufficiale dovuta ai due esperimenti uscirà solo dopo la pubblicazione dei dati su rivista scientifica. Questa sintesi, comunque, racconta di un intervallo in massa che va tra i 124 e i 126 GeV.
Ad ogni modo dopo i due seminari mi sono ritrovato a discutere via e-mail con l'amico Salvatore, al momento al lavoro a New York, proprio dei risultati. E Salvo mi ha mandato via e-mail questi grafici, iniziando con i due che riassumono i risultati preliminari di entrambe le collaborazioni, ATLAS e CMS:

Ricordo infatti che l'Higgs è previsto venire prodotto attraverso vari canali differenti:

ed è quindi necessario realizzare anche una sintesi sui dati raccolti nei vari canali studiati.
D'altra parte quella sintesi che i due esperimenti non hanno fatto, hanno provato a farla su facebook ed è il terzo grafico che mi ha inviato Salvo, ovvero la sovrapposizione dei due precedenti:

Accompagnato a questo grafico è anche arrivato il suo commento sulla faccenda:

Mormorii

Qualcosa era nell'aria. Il 13 dicembre alle 14 ci sarà un seminario sull'Higgs, a tenerlo i due responsabili di ATLAS e CMS, Fabiola Gianotti e Guido Tonelli. A comunicarlo è stato Rolf Heuer, ma in effetti c'è anche la comunicazione pubblica. Il seminario sarà in webcast (almeno così scrivono), ma già c'è chi ci ricama su, chi prova a pensare, chi si pone domande e chi, semplicemente, si mette a spiegare.
Ad ogni modo, nell'attesa del prossimo martedì (non ci sarà alcun annuncio clamoroso, ma solo dei nuovi e più stringenti limiti sulla massa dell'Higgs), gingillatevi con Marte oppure divertitevi con i neutrini.