Accelerare il progresso della scienza: intervista a Rolf Heuer del CERN Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Il direttore generale del CERN ci racconta la storia che sta dietro al Bosone di Higgs – e descrive tutti I passi successivi.

Il CERN non è proprio il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo. Come direttore generale del Centro, Rolf Heuer, ci spiega, “il CERN rappresenta un modello, dimostrando che la scienza può stendere un ponte tra culture e nazioni differenti. La Scienza è un linguaggio universale ed è quello che noi parliamo al CERN.

Il CERN unisce anche in un altro mondo le persone, “Come studente di un corso estivo, ti puoi ritrovare a concorrere come vincitore di un futuro premio Nobel. E chiunque può passare da un laboratorio posto in cantina, ad amministratore senior – lo abbiamo identificato con il CERN, condividendo il suo desiderio della conoscenza umana. Tutti noi possiamo contribuire un po’ a questo obbiettivo, lasciando le differenze politiche, culturali e di istruzione fuori dal campus.

Questo indubbiamente rende il CERN un posto molto speciale nel quale lavorare, ma cosa rende unico questo acceleratore di particelle, il Large Hadron Collider (LHC). Primo ad essere utilizzato nel 2008, l’LHC il più grande acceleratore di particelle del mondo, con il suo tunnel di 27 km che forma un anello che attraversa il confine Franco-Svizzero. Come spiega il Professor Heurer, “È anche il luogo più freddo dell’Universo, raffreddato fino a 1.9 K col elio superfluido. Persino lo spazio è più caldo, ad una temperatura di 2.7 K.

“Simultaneamente, è anche uno dei luoghi più caldi della nostra galassia poiché quando I protoni collidono nell’HLC, si generano alte temperature, molto più alte di quelle all’interno del nucleo del Sole.” Il Professor Heuer descrive la collisione tra due protoni ad una velocità  molto vicina a quella della luce come due moscerini che si urtano a mezz’aria.

“La differenza chiave è che questi protoni sono particelle piccole, piccole, così la loro densità di energia – l’energia dei protoni divisa per il loro volume – è immenso, ed è la sua densità di energia che ci porta vicino al Big Bang.”

Come descritto dettagliatamente nei precedenti due articoli di Science in School (Landua & Rau, 2008; Landua, 2008), queste collisioni enormemente energetiche possono creare particelle molto pesanti, il tipo di particelle che si sono formate in queste estremamente energetiche condizioni in un secondo dopo il Big Bang. Queste particelle sono così massicce che non sono state create fino ad allora (ricordiamo che la legge di Einstein E=mc2 ci dice per creare una particella molto pesante, abbiamo bisogno di una grande quantità  di energia).

Mentre io e il Professor Heuer parliamo, una storia estremamente distante è stata appena rinverdita: il 4 Luglio 2012, il CERN annunciava la rilevazione da parte dell’LHC di una particella ‘consistente con il bosone di Higgs’, l’ultima creata circa 10^-12 secondi dopo il Big Bang. Questa è una notizia momentanea, mi ha detto, “Avevamo cercato per 40 anni questa particella, non ero sicuro se ero pronto a divulgare ancora la notizia, ma penso che avrebbe potuto essere una delle più grandi scoperte delle ultime decadi.” 

Se la nuova particella individuata è proprio il bosone di Higgs, questa scoperta potrebbe confermare il modello standard della fisica delle particelle. Il modello standard (figura 1) descrive le particelle fondamentali con le quali sia noi e ogni altra cosa visibile nell’Universo siamo formati, e le forze agenti tra loro. E come spiega il Professor Heuer, “Il bosone di Higgs rappresentava la perduta pietra angolare del modello standard.”

La scoperta avrebbe spiegato anche perché le particelle – e quindi la materia – hanno massa. La ricerca del bosone di Higgs iniziò nel 1960, quando un gruppo di fisici, incluso Peter Higgs, ha postulato ciò che ora è noto come campo di Higgs. Immediatamente dopo il Big Bang, loro credevano che le particelle non avessero massa ma rapidamente la acquisivano interagendo con questo campo; più le particelle interagivano con il campo di Higgs, e più diventavano massicce.

“Immaginiamo che il campo di Higgs sia un convegno di giornalisti equamente disposti tutti attorno ad una stanza” dice il Professor Heuer. “Posso attraversare attraverso la stanza in assenza di massa – alla velocità della luce – perché loro non mi conoscono. Se qualcuno noto entra nella stanza i giornalisti si affollano attorno a quella persona: la velocità della persona è limitata e lui o lei acquisisce massa. Più conosciamo quella persona, e più i giornalisti si affollano attorno a lei, e quella persona diventa più massiccia. Questo è il processo di come le particelle acquisiscono massa dal campo di Higgs.” Vedi figura 2  .

Ma da dove proviene il bosone di Higgs? Per definizione, i bosoni sono particelle con un momento angolare interno – detto spin – corrispondente ad un numero intero della costante di Planck (per es. 0, 1, o 2). Alcuni bosoni sono particelle forza, attraverso le quali le particelle materiali interagiscono tra loro. Per esempio, un fotone è un bosone che trasporta una forza elettromagnetica; un gravitone è un bosone che trasporta la forza gravitazionale. Il bone di Higgs, tuttavia, si è postulato essere differente: è  il suo risultato dell’interazione del campo di Higgs con se stesso (figura 2). “Supponiamo che apra la porta al convegno dei giornalisti e sussurro un rumore all’interno della stanza. I giornalisti notoriamente curiosi – diranno “cosa ha detto?” Questo è come interagiscono i giornalisti tra loro – o l’auto interazione del campo di Higgs: questo è un bosone di Higgs.”

L’unico problema col bosone di Higgs era che nessuno sapeva se effettivamente esisteva. Negli anni, sempre più grandi acceleratori di particelle venivano costruiti alla sua caccia, in grado di far collidere particelle con energie sempre più grandi. Questo poneva in grado i fisici di creare particelle sempre più massicce, ma ancora non vi erano segni del bosone di Higgs. Dopotutto o non esisteva, o sarebbero stati necessari acceleratori più potenti per individuarlo? La nuova particella avrebbe potuto bene rispondere a quella domanda.  

Così come hanno fatto gli scienziati del CERN ad individuare questa nuova particella?

Il segnale che stavano cercando era il decadimento del bosone di Higgs. Tuttavia, gli scienziati avrebbero dovuto essere in grado di distinguere una immagine  di decadimento del bosone di Higgs dal segnale di decadimento di molte altre particelle create nel’’LHC. Come scherzando, diceva il Professor Heuer “e’ come cercare un certo tipo di fiocco di neve scattando una foto di una tormenta di neve. Molto difficile.”

Un segnale promettente da cercare era quello del decadimento del bosone di Higgs in due fotoni, specificatamente due fotoni di alta energia. Quando si vedono due fotoni, originariamente nello stesso punto, possono rappresentare il risultato dal decadimento di un bosone di Higgs. D’altra parte, possono far parte del rumore di fondo della collisione di altre particelle avvenute nel’LHC. Così come fanno gli scienziati a distinguerli?

La risposta è che non possono, in ciascun caso, dire se i fotoni sono stati originati dal bosone di Higgs o dal decadimento di certe altre particelle, comunque possono sfruttare l’analisi statistica per verificare se il numero di decadimenti osservato è quello che si sarebbero atteso. A questo scopo, costruiscono una ipotesi di nullità – in questo caso, cioè quello in cui la particella di Higgs non esista – e predire che la trovassero se l’ipotesi di nullità fosse vera. Se si vedessero più decadimenti di quelli attesi, questo dovrebbe indicare l’esistenza del bosone di Higgs.   

Questo fu proprio quello che i due esperimento all’LHC, ATLAS e CMS, trovarono nel Luglio del 2011: al di sopra della curva regolare dei risultati attesi, vi era una deviazione rappresentante più decadimenti di quelli attesi. La cosa importante fu che entrambe gli esperimenti mostrarono lo stesso risultato, la stessa deviazione nello stesso punto – rappresentante il decadimento di particelle con una massa di 126 GeV – e la deviazione aveva la stessa dimensione – rappresentante lo stesso numero di ‘extra’ decadimenti nell’acceleratore. La domanda che sorgeva era, queste deviazione erano statisticamente significative? Per le nuove scoperte in fisica delle particelle ​l’assicella per una statistica significativa è posta molto in alto​^w1: a cinque sigma, che rappresenta una probabilità su 3.5 milioni di individuare più decadimenti di quelli attesi, anche se l’ipotesi di nullità risultasse vera.

La data iniziale del Luglio 2011 certamente risultava molto promettente, ma non vi era nulla attorno a questo livello di certezza. Durante l’anno successivo, tuttavia, i due esperimenti all’LHC raccolsero molti più dati, e tutti puntavano nella stessa direzione, vi dovevano essere più eventi con fotoni doppi con una massa di 126 GeV di quelli attesi se non vi fosse alcun bosone di Higgs. Finalmente, il 4 Luglio del 2012, la soglia dei cinque sigma fu sorpassata e gli scienziati del CERN erano alquanto fiduciosi e annunciarono al mondo che erano riusciti a vedere ‘una particella consistente al bosone di Higgs’.

Per la maggior parte di noi, a dispetto delle precedenti dichiarazioni dei tentativi al CERN, questo annuncio giungeva completamente inatteso. Per il Professor Heuer, invece, l’entusiasmo montava da mesi, ma le rivelazioni passo passo della scoperta non riduceva le sue aspettative neanche di un poco. “Il momento della scoperta è stata il più eccitante della mia carriera, poiché abbiamo scritto un po’ di storia.”

E così cosa realmente conosciamo della nuova particella?

“Sappiamo che è una nuova particella e sappiamo che è un bosone. È il più pesante dei bosoni mai trovato, e assomiglia al bosone di Higgs. Tuttavia, gli scienziati sono molto cauti. Come un bugiardo potrei dire ‘abbiamo trovato il bosone di Higgs’. Come scienziato, mi domando ‘cosa abbiamo trovato?'”  

Il passo successivo, è quello di misurare le proprietà di questa particella, compreso il suo spin. Tutti i bosoni precedentemente conosciuti sono particelle con spin1, per esempio i fotoni. Sono associati a campi vettoriali: il campo elettromagnetico, per esempio, è un campo vettoriale che ha sia una direzione e un modulo. A causa di ciò, il fotone si muove in una particolare direzione: ha lo spin. Il bosone di Higgs, tuttavia, è stato postulato che sia differente – è associata ad un campo scalare, il campo di Higgs, e significa che ha spin 0. 

“Se nuoti in un fiume, la forza che l’acqua esercita su di vuoi dipende dalla direzione in cui state nuotando. Quello dovrebbe essere un campo vettoriale. Se, al contrario, vi trovate in una piscina, la forza che l’acqua esercita su di voi sarà la stessa in qualsiasi direzione stiate nuotando. Quello è un campo scalare.

È importante anche misurare accuratamente la massa della nuova particella. “Invece di essere il bosone di Higgs, potrebbe essere un bosone di Higgs. Il modello standard prevede solo uno, ma supersimmetria – una estensione del modello standard (come spiegato in ​Landua &b Rau, 2008) ) ne predice almeno cinque. E il bosone di Higgs con massa più bassa predetto dalla supersimmetria è molto simile alla massa di quella predetta dal modello standard.

“Per questo resta difficile distinguere i due; abbiamo bisogno di più misure.” A questo fine, l’LHC raccoglierà i dati tra più possibili eventi prima del Febbraio 2013, quando si chiuderà alla fine del 2014 per rifare ancora collisioni a più grandi energie, per creare e individuare particelle ancora più pesanti.

Così se le misure nei prossimi mesi dimostreranno che la nuova particella è il (o un) bosone di Higgs, allora il modello standard sarà ritenuto valido, dimostrando l’esistenza del campo di Higgs, e confermando il meccanismo per il quale le particelle acquisiscono massa. Che cosa dovrebbe succedere se il nuovo bosone non sia il bosone di Higgs? “Se fosse leggermente differente da quello che ci aspetteremmo, si dovrebbe introdurre fisica al di là dello modello standard.

Qualunque sia l’evento delle misurazioni sulla nuova particella, una volta che LHC si riapre, si potrà mettere a fuoco al di là del modello standard, che descrivere esclusivamente l’Universo visibile -sebbene esso non sia che il 4-5% del bilancio energetico totale dell’Universo. Puntualizzando, il Professor Heuer dice, “Il modello standard lascia molte questioni aperte. Per esempio, non ci dice cosa è successo all’antimateria che esisteva all’inizio dell’Universo, e nemmeno ci dice in quanto spazio o dimensioni temporali stiamo vivendo. E analogamente non si ha la più pallida di cosa sia l’energia oscura o l’energia oscura.”

Il 95 % della parte buia dell’Universo di cui non si occupa il modello standard, il 25% si pensa che sia composto dalla materia oscura. “quando confrontiamo quello al 5% che comprende l’Universo visibile, è ovvio che la materia oscura ha giocato un ruolo dominante nel determinare la forma dell’Universo primordiale. Gli astronomi ci possono dire come è stato modellato l’Universo, ma soltanto un acceleratore di particelle è probabile che sia in grado la materia oscura in laboratorio e aiutarci a capire esattamente cosa essa sia. La materia oscura è composta da una singola specie di particelle o è ricca e varia come nel mondo normale?” Una potenziale risposta implica la super simmetria, e dopo la revisione, l’LHC sarà abbastanza potente da creare e individuare alcune di quelle veramente massicce particelle che la super simmetria dovrebbe predire.     

Gli altri tre quarti dell’universo buio è composto dalla energia oscura, si pensa che divida l’Universo. Anche in questo caso, il Professor Heuer pensa che l’LHC e le sue ricerche sul bosone di Higgs possa rivelarsi importante.   

“Il campo di Higgs è un campo scalare, come lo è l’energia oscura. Esse non sono la stessa cosa, ma studiando il campo di Higgs si potrebbe giungere a comprendere molto dell’energia oscura.”

In breve, “Fino ad ora, conosciamo molto poco della materia oscura e non conosciamo essenzialmente niente sulla energia oscura, ma penso che, con l’LHC, potremo entrare nell’Universo oscuro.

Mediante la nostra intervista, è stata ovvia proprio come il Professor Heuer gli piaccia portare la fisica viva ai non specialisti. Chiaramente anche questo è molto buono: “Ho dato una lezione pubblica alla Royal Society a Londra, nella quale ho presentato l’LHC, la scienza alla base di questo e il fascino della materia oscura dell’Universo. Un giorno, dopo la presentazione, ho ricevuto una email da parte di ragazzo di 14 anni che diceva che andava molto bene in matematica e fisica e voleva iniziare a lavorare al CERN nel 2018.”  

La difficoltà, come conosce bene il Professor Heuer, non è quella di entusiasmare i giovani alle scienze, ma farcele rimanere. A questo scopo, l’enfasi dell’importanza di “spiegare” i nuovi sviluppi è un’importate punto nella scienza, per esempio utilizzando Science in School”. Di cui il Professor Heuer è un fan.

Per concludere l’intervista, domando al Professor Heuer se ha qualche altra raccomandazione per i nostri lettori. “Entusiasmare i nostri studenti nelle nostre scuole con i correnti curricoli può molto difficile – se iniziate con la meccanica del 19^mo secolo, perderete immediatamente il 99% di loro. Introducendo la scienza moderna, potrebbe comunque realmente aiutare. “Fortunatamente, è convinto che si può spiegare senza utilizzare la matematica. 

“Per esempio, ho spiegato che ho spiegato il meccanismo di Higgs ai giornalisti. Naturalmente, per comprendere a completamente e spiegarla, ai vostri alunni servirà la matematica, ma possono sempre riconsiderarla in seguito. Quello che devono comprendere è la logica.” 7

References

• Landua, R (2008) L’LHC: uno sguardo all’interno. Science in School 10.
• Landua R, Rau M (2008) L’LHC: a un passo più vicino al Big Bang Science in School 10.

Web References

• w1 – Per trovare argomenti sull’analisi statistica, vedi  ‘5 sigma – what’s that?’nel blog del Scientific American

Resources

• Per imparare qualcosa di più sullo spegnimento del’LHC pianificato per il 2013-14, vedi:

  • Brewster S (2012) Scientists already planning for LHC long shutdown. Symmetry September 2012.

• Per saperne di più circa le ricerche avanzate per la scoperta della nuova particella, vedere:

  • Baggott J (2012) Higgs: The invention and discovery of the ‘God Particle’.(L’invenzione e la scoperta della ‘Particella di Dio’). Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 978019960349

• Per una spiegazione del funzionamento del LHC in termini per le persone comuni, vedi:

  • Ginter P, Franzobel, Heuer RD (2011) LHC: Large Hadron Collider. Paris, France: UNESCO. ISBN: 9783901753282

• Guardate la lezione di Rolf Heuer (‘La ricerca per una comprensione profonda del nostro Universo al Large Hadron Collider: il più grande acceleratore di particelle’) ‘The search for a deeper understanding of our Universe at the Large Hadron Collider: the world’s largest particle accelerator’, data all’ Open Forum di Dublino delle Euroscienze, il 14 Luglio 2012, 10 giorni dopo l’annuncio che un bosone compatibile con il bosone di Higgs era stato scoperto al CERN. 
• Per saperne di più sulla prossima generazione di acceleratori di particelle che studieranno il bosone di Higgs, vedi in maggior dettaglio:

  • Chalmers M (2012) After the Higgs: the new particle landscape. Nature 488: 572-575. doi: 10.1038/488572a

  • Scaricate l’articolo gratuitamente o abbonatevi a Nature oggi.

• Leggete le due interviste con gli scienziati che lavorano sulla materia oscura e l’energia oscura:

  • Boffin H (2008) “L’intelligenza ha un’importanza secondaria nella ricerca”. Science in School 10.

  • Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80.

Institutions

Author(s)

La Dr Eleanor Hayes è il capo redattore di Science in School. Ha studiato zoologia all’Università di Oxford, UK, e ha completato ottenendo il PhD in ecologia degli insetti. Quindi ha trascorso un certo tempo lavorando nell’amministrazione dell’Università prima di trasferirsi in Germania e nella pubblicazione in scienze nel 2001. Nel 2005, si è trasferita al Laboratorio di Biologia Molecolare Europeo per lanciare Science in School.

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