Ritratti: Carlo Rubbia

Il modo migliore per aspettare il #Nobel per la #Fisica 2014

In quel giorno di 30 anni fa (stiamo parlando della seconda settimana di ottobre del 1984) ero, quasi sicuramente, a scuola. Sarà stata la terza elementare e ancora la fisica non era una mia passione. Certo iniziavo bene: quando la maestra chiese cos'era lo spazio, io pensai immediatamente all'universo, ma la domanda non era riferita a quello "spazio", ma a un altro, quello di tipo geometrico. Però non è su quei ricordi che bisogna indulgere, ma su una foto particolare, quella in cui Carlo Rubbia e Simon van der Meer, con due calici, presumibilmente di vino, in mano festeggiano l'annuncio del Nobel per la Fisica

per i loro decisivi contributi al grande progetto che ha guidato la scoperta delle particelle di campo $W$ e $Z$, mediatori dell'interazione debole

La storia di questo Nobel, però, inizia 8 anni prima, nel 1976. In quell'anno, infatti, inizia a operare SPS, il sincrotrone a protoni del CERN originariamente progettato per accelerare le particelle fino a un'energia di 300 GeV.

Quello stesso anno David Cline, Carlo Rubbia e Peter McIntyre proposero di trasformare l'SPS in un collisore di protoni-antiprotoni, con i fasci di protoni e antiprotoni che ruotavano uno opposto all'altro nello stesso tubo per collidere frontalmente. Questo avrebbe permesso energie nel centro di massa in un intervallo tra i 500 e i 700 GeV.⁽¹⁾

D'altra parte gli antiprotoni vanno in qualche modo raccolti. Il fascio corrispondente venne allora

(...) statisticamente raffreddato nell'accumulatore di antiprotoni a 3.5 GeV, ed è qui che l'esperienza di Simon Van der Meer e collaboratori gioca un ruolo decisivo.⁽¹⁾

Il bosone Z' e la fenomenologia di un picco

Mettetevi comodi: è un lungo viaggio quello che stiamo per intraprendere. Parte dai bosoni W e Z, mediatori della forza debole, per poi portarci nello studio dei loro decadimenti al Tevatron, l'acceleratore del FermiLab e alla recente osservazione di un picco, per ora solo gaussiano, nei dati rilevati dalla collaborazione CDF. Al momento, seguendo Tommaso Dorigo, direi che ci sono due spiegazioni principali: un nuovo bosone, denominato Z', che potrebbe spiegare una parte dell'asimmetria materia-antimateria oltre ad essere il mediatore dell'interazione tra materia oscura e materia ordindaria, oppure un effetto dovuto alla nostra scarsa conoscenza del decadimento adronico del W.

Innanzitutto introduciamo i così detti dijet⁽¹⁾. Sono molto importanti nello studio dei bosoni W e Z, la cui scoperta frutto a Rubbia il Nobel in Fisica. I processi che vengono studiati sono le interazioni WW, WZ, ZZ sia attraverso i decadimenti leptonici, sia attraverso lo studio di jet adronici. L'esistenza di questi due canali è dovuta al fatto che mentre la segnatura del decadimento del W^- è la produzione di una coppia neutrino-leptone

mentre il W⁺, così come lo Z decade producendo un leptone e due jet adronici.
L'importanza nello studiare questi decadimenti sta nel legame che questi bosoni, che sono in particolare le particelle che mediano, trasportano l'interazione debole, hanno con il famosissimo bosone di Higgs. E sono in particolare i decadimenti che coinvolgono il W⁺ e lo Z , e quindi i jet adronici ad essere importanti per la rilevazione dell'Higgs⁽²⁾.

E sono anche tra i più difficili da rilevare.
Impegnato in questa rilevazione c'è il Tevatron, l'acceleratore statunitense del FermiLab, e in prima linea c'è la collaborazione CDF. Un primo esame delle interazioni WW e WZ avvenuto a fine 2009⁽³⁾ ha successivamente portato alla pubblicazione nel 2010 su PRL⁽⁴⁾. Iniziamo a dare un'occhiata ai grafici presentati in quell'occasione:

In entrambi i grafici si possono apprezzare alcune zone dove i dati rilevati dalla collaborazione si trovano ben sopra alla ricostruzione delle interazioni avvenute grazie alle simulazioni Monte Carlo. Queste simulazioni sono molto importanti nella fisica sperimentale delle alte particelle e il motivo è molto semplice: è grazie ad esse che gli sperimentali sono in grado di valutare il contributo della fisica nota alle collisioni studiate. Questo vuol dire che, nell'esame dei dati raccolti, la routine dello sperimentatore è quella di far girare righe di codice che tritura per ore e ore i puntini raccolti dall'acceleratore e poi sputa la sua sentenza, che poi dovrà ulteriormente essere raffinata con altri codici ancora prima per verificare se ci sono altri effetti di fisica nota che si è trascurato e poi per vedere se potrebbe esserci qualcosa di interessante nei dati⁽¹⁾.