Una nuova particella

È di ieri la notizia che la collaborazione LHCb al CERN ha scoperto una nuova particella, che è stata battezzata Ξ++cc. La nuova particella ha una massa pari a 3621 MeV (circa 3.6 volte più pesante di un protone).

La particella in questione è prevista dal Modello Standard: si tratta di un barione (cioè di una particella fatta di tre quark) di carica elettrica pari a due volte quella del protone (l’apice ++ indica proprio questo) e con due cariche di charm (che sono quelle indicate nel pedice cc). Questo barione è uno stato legato di un quark up (u) e due quark charm (c).

Sappiamo che i quark sono 6: i quark up (u), charm (c) e top (t) hanno carica elettrica pari a 2/3 quella del protone, mentre i quark down (d), strange (s) e bottom (b) hanno carica elettrica pari a -1/3 quella del protone. I barioni sono combinazioni di tre quark. In linea di principio dunque ci aspettiamo che esistano tante particelle di questo tipo quante sono le possibili combinazioni con ripetizioni di tre quark, cioè 56. La combinazione ucc è una di queste. Il protone, ad esempio, è un barione formato dalla combinazione di due quark u e da un quark d, mentre il neutrone è costituito di due quark d e di un quark u.

In realtà non tutte le combinazioni sono effettivamente osservabili, per vari motivi. Le combinazioni che includono almeno un quark t, ad esempio, non si formano perché questo quark ha una vita media così breve da impedire la formazione di stati legati. Combinazioni come quella osservata a LHCb sono rare perché la probabilità che si formino è molto bassa. Finora, infatti, nessuno era mai riuscito a vedere una simile particella.

Sui giornali si legge che i quark di cui è formata questa particella si comporterebbero come pianeti in orbita attorno a un minuscolo Sole, ma questo non è vero. I quark sono particelle elementari che si comportano secondo quanto previsto dalla meccanica quantistica. Non possiamo immaginarli come palline che ruotano attorno a un punto: la maniera più corretta di immaginare come sia fatta questa particella è di pensare a ogni quark come una specie di bolla di gas, più denso in certi punti e meno denso in altri. Questa bolla può intersecarsi con un’altra bolla che rappresenta un altro quark e così i tre quark si compenetrano l’uno nell’altro occupando lo stesso volume.

L’affermazione è probabilmente dovuta a quanto dichiarato da Guy Wilkinson, ex portavoce della collaborazione, che ha detto “In contrast to other baryons, in which the three quarks perform an elaborate dance around each other, a doubly heavy baryon is expected to act like a planetary system, where the two heavy quarks play the role of heavy stars orbiting one around the other, with the lighter quark orbiting around this binary system”. Ciò che intendeva Wilkinson era che la Ξ++cc è interessante perché, rispetto a un protone o a un neutrone, contiene due quark pesanti c. Di conseguenza può fornire indicazioni ulteriori rispetto a questi sul funzionamento delle forze che tengono insieme il sistema, analogamente a quanto avviene nella gravitazione: lo studio di pianeti leggeri che orbitano attorno a un Sole pesante fornisce informazioni complementari a quelle prodotte dallo studio di un sistema composto da più Soli pesanti che orbitano attorno a un pianeta leggero.

Si legge anche che questa scoperta permetterà di capire meglio il funzionamento delle forze che tengono insieme i nuclei atomici, come affermato dall’attuale portavoce Giovanni Passaleva. L’attuale teoria infatti spiega benissimo l’esistenza di questa particella, ma solo in maniera qualitativa. Nessun fisico è capace di calcolare con buona precisione l’intensità delle forze che si manifestano tra i quark. Lo studio di stati esotici come questo potrebbe consentire di capire meglio il funzionamento di queste interazioni perché nel caso di particelle come queste le interazioni tra i quark sono più deboli rispetto a quelle che si manifestano all’interno di altri barioni più comuni come i protoni o i neutroni. Se l’interazione è più debole è più facile fare i conti e il confronto tra teoria ed esperimento è più immediato.

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Il meccanismo di Higgs per tutti

È stato da poco dato alle stampe il mio ultimo articolo su come illustrare il Meccanismo di Higgs che fornisce massa alle particelle elementari al grande pubblico. Dalla scoperta della particella si sono moltiplicati i tentativi di rendere accessibile e comprensibile un meccanismo così complesso. Anch’io ho fatto la mia parte con alcuni modelli semplificati: uno più tecnico, con due articoli [1][2], ripreso nel mio testo di Fisica Sperimentale, e un altro adatto a un pubblico più generico come nel caso del video che trovate qui. Ho anche registrato una puntata di FISICAST al riguardo.

Un ulteriore tentativo di rendere comprensibile il meccanismo l’ho fatto con un articolo pubblicato da poco sulla rivista Physics Education, che trovate qui (sito dell’editore) o qui (arXiv). L’articolo ha per titolo “A ball pool model to illustrate Higgs physics to the public” e si può citare come 2017 Phys. Educ. 52 023001. L’identificatore del documento (DOI) è 10.1088/1361-6552/aa4f8a.

Grazie alla Sig.ra Miriam di “Tutto Gonfiabili” per avermi concesso l’uso delle loro immagini.

[1] “The Higgs mechanism for undergraduate students”, in Nucl. Part. Phys. Proc. 273–5 2572–4.

[2] “Unveiling the Higgs mechanism to students” in Eur. J. Phys. 33 1397–406.

Il bosone di Higgs potrebbe distruggere l’Universo

Che scemenze che tocca leggere! Non ho ancora capito se chi scrive queste cose lo fa apposta oppure davvero non capisce nulla di quel che scrive…

Leggo da un articolo su Repubblica online: lo scienziato allerta sui potenziali rischi legati agli esperimenti sulla cosidetta “particella di Dio”... Ma si può scrivere una scemenza del genere? Ma quando mai?

Quel che c’è scritto sul libro di Hawking è questo: “The Higgs potential has the worrisome feature that it might become metastable at energies above 100 billion gigaelectronvolts (GeV). This could mean that the universe could undergo catastrophic vacuum decay, with a bubble of the true vacuum expanding at the speed of light. This could happen at any time and we wouldn’t see it coming.”

Il cosiddetto problema della stabilità del vuoto è noto almeno dal 1974 (ben prima che si scoprisse il bosone di Higgs, ma dieci anni dopo la sua ipotesi) ed evidentemente non ha nulla a che fare con la scoperta del bosone. Il bosone, evidentemente, esisteva anche prima di essere scoperto, quindi anche se non l’avessimo scoperto un eventuale suo ruolo nella morte dell’Universo così come lo conosciamo sarebbe stato indipendente dagli esperimenti. Che c’entrano gli esperimenti? I rischi legati agli esperimenti? Ma che dite?

Detto questo, il problema è tale solo per gli scienziati! Voglio dire che nel nostro ambiente il termine “problema” di usa quando qualcosa non si capisce, non nell’accezione in cui normalmente questa parola è usata (ho un problema: la macchina non parte e farò tardi al lavoro!). In cosa consiste il problema?

Il campo di Higgs, che è quello che dà origine alla massa delle particelle interagendo con esse, ha una curiosa proprietà: se fossimo capaci di rimuoverne un po’ da una regione dell’Universo si troverebbe in una condizione energetica instabile che lo spingerebbe a riformarsi immediatamente e spontaneamente. In altre parole possiamo pensare (molto superficialmente) che un Universo completamente vuoto sia estremamente instabile e che tenda ad evolvere spontaneamente verso una condizione nella quale è presente una certa quantità di campo di Higgs. Quando un sistema evolve spontaneamente verso una condizione lo fa perché la nuova condizione è energeticamente favorevole rispetto a quella iniziale: un Universo vuoto (pieno di nulla) ha quindi un’energia maggiore rispetto a quella posseduta da un Universo riempito di campo di Higgs. Quindi l’Universo tende a stare in una condizione che rappresenta un minimo dell’energia. Il problema consiste nel fatto che, in linea di principio, di questi minimi ce ne potrebbero essere più d’uno. In particolare non si può escludere, nota ormai la massa del bosone, che esista un minimo più favorevole rispetto a quello in cui ci troviamo oggi. Se esistesse quest’altro minimo l’Universo potrebbe transire spontaneamente verso questa condizione, nella quale le leggi fisiche sarebbero del tutto diverse e dunque non potremmo esistere.

È del tutto evidente che questo non ha niente a che fare con la scoperta del bosone, ma, se mai, è una proprietà dell’Universo per la quale non possiamo farci niente. Il problema è che non sappiamo come fare a meno di questi ulteriori minimi, nel senso che quasi scientistsnessuno crede che questo scenario sia plausibile; l’idea è che la nostra teoria sia incompleta e che aggiungendo nuove informazioni si dovrebbero realizzare condizioni per cui non è possibile che questi ulteriori minimi esistano. Noi crediamo, infatti (ma questo è un pregiudizio, non è stato mai scientificamente dimostrato), che l’Universo è così come l’osserviamo perché non può essere altrimenti; in pratica non crediamo che l’Universo sia così per caso; se è così è perché, partendo da una condizione qualunque, evolve per forza di cose in un Universo come il nostro.

Ma anche se non fosse così e ci fossero questi pericolosi minimi, la probabilità che una transizione del genere accada (e comunque, se accadesse, non potremmo farci nulla) è tale per cui il tempo che in media ci si aspetta che trascorra prima di avvenire è molti ordini di grandezza maggiore rispetto alla vita media attesa per il nostro Sole!

Non so voi, ma io, almeno, dormo tranquillo.

LHC è una macchina da record per molti versi, incluso quello di essere l’oggetto macroscopico piú freddo dell’Universo: si trova, infatti, ad appena 1.9 gradi sopra lo zero assoluto (-271 gradi Celsius). È necessario mantenere i 27 km della sua circonferenza a questa temperatura per rendere superconduttore il cavo che porta la corrente necessaria per produrre gli intensi campi magnetici che trattengono i protoni nell’orbita.

Non esiste alcun dispositivo sulla Terra che utilizzi tanto materiale superconduttore (per un totale di un miliardo di km di cavo) come LHC. Solo ora cominciano a comparire i primi spin-off. La Nexans, un’azienda che produce cavi, e il KIT (Karlsruhe Institute of Technology), che hanno prodotto insieme all’Ansaldo di Genova e altre società i cavi di LHC, hanno da poco fatto un accordo con la società elettrica tedesca per dotare le città di superconduttori per il trasporto di energia.

Essen è la prima città della Germania a dotarsi di un superconduttore lungo 1 km a scopi civili. La città utilizzerà un materiale nuovo, capace di diventare superconduttore a una temperatura piú alta: 200 gradi sotto lo zero Celsius (non proprio caldo, ma sempre meglio di 271).

C’è da ritenere che in un prossimo futuro saranno sempre di piú le applicazioni di questi nuovi materiali, che hanno cominciato ad avere prezzi competitivi anche grazie allo sviluppo promosso dalla ricerca in fisica delle particelle.

International Masterclass hands on Particle Physics 2014

Si è svolta anche quest’anno l’International Masterclass hands on Particle Physics organizzata da IPPOG (International Particle Physics Outreach Group).

Tutte le foto dell’evento sono disponibili qui. Al mattino sessanta studenti provenienti dai liceDSC_0038i di Roma e del Lazio hanno seguito tre seminari: uno, del Prof. Antonello Polosa, sul bosone di Higgs, uno mio sui principi di funzionamento degli acceleratori di particelle e uno del Prof. Daniele Del Re su come funzionano i rivelatori di LHC.

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Dopo pranzo si sono trasferiti in laboratorio dove hanno messo a frutto le conoscenze acquisite al mattino: osservando le tracce lasciate dalle particelle prodotte dai veri scontri protone-protone a LHC, nel rivelatore CMS, gli studenti dovevano riconoscere quelli in cui si producevano bosoni Z e W, e bosoni di Higgs. Hanno così potuto eseguire vere e proprie misure di fisica, come l’universalità dell’accoppiamento debole, il rapporto di produzione dei W carichi, la massa della Z e del bosone di Higgs. Hanno anche avuto modo di scoprire nuove particelle come la ϒ e la J/ψ.

DSC_0068Al termine di quest’attività ci siamo collegati in videoconferenza con il CERN e altri tre siti (in Grecia, in Francia e a Bologna) dove si svolgeva la stessa attività e gli studenti hanno potuto fare domande e scambiarsi le loro esperienze.

 

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