Il 20 novembre 2012 presso la Limonaia Scienza Viva alle ore 16:00, nell'ambito delle iniziative di "Pianeta Galileo", si svolgeranno due incontri, in cui sarà presentato lo stato di avanzamento e le prospettive delle ricerche di fisica fondamentale presso l'acceleratore LHC del CERN, il più potente strumento di indagine a livello microscopico mai costruito. I fisici pisani hanno dato e stanno dando un contributo rilevante ai due esperimenti più importanti di LHC: ATLAS e CMS.
Al seminario interverranno due ricercatori di fama internazionale: il professor Gian Francesco Giudice, fisico teorico del CERN, e il professor Iacopo Vivarelli, fisico sperimentale dell'Università Albert Ludwigs di Friburgo (Germania) e laureato dell'Ateneo pisano. I due relatori presenteranno i risultati delle ricerche a LHC; in particolare sarà discussa la recente scoperta della nuova particella che, con tutta probabilità, potrà essere identificata con il bosone di Higgs. LHC sarà fermato negli anni 2013-2014 per permetterne un potenziamento, sia per l'intensità, che per l'energia.
Pubblichiamo di seguito la sintesi dei due interventi.
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Intervento del professor Gian Francesco Giudice
L'esistenza del bosone di Higgs trova le sue radici nelle proprietà della forza debole − la forza che permette le reazioni termonucleari che alimentano il sole. Questa forza mostra la strana caratteristica di comportarsi in modo diverso se vista attraverso uno specchio (o, più precisamente, se si considera un processo in cui s'invertono le tre coordinate spaziali). Poiché la massa risulta identica in un mondo speculare, esiste un'apparente incompatibilità tra le proprietà di simmetria della forza debole e le masse di alcune particelle elementari, un fenomeno detto "rottura di simmetria". Per riconciliare questi due aspetti contrastanti, i fisici già da tempo sapevano che doveva esistere un nuovo elemento in natura associato alla rottura di simmetria e il bosone di Higgs era laspiegazione più plausibile.
Già prima della scoperta, molti fisici erano pronti a scommettere sull'esistenza del bosone di Higgs. Eppure nessuno si sarebbe stupito se le proprietà della nuova particella si fossero rivelate molto diverse da quanto misurato dagli esperimenti dell'LHC. La teoria del bosone di Higgs, infatti, può essere deformata in modo abbastanza arbitrario, al contrario di quanto avviene per le altre particelle fondamentali. Nello schema rigoroso ed elegante del Modello Standard − la teoria che descrive le particelle elementari e le forzecon cui interagiscono − il bosone di Higgs è un elemento aggiuntivo necessario, ma precario e insoddisfacente. È la nota stonata in un concerto sublime.
I fisici teorici sono convinti che il bosone di Higgs non possa essere la fine dellastoria, ma solo una prima manifestazione di un mondo ancora sommerso. Per conoscere cosa si nasconde dietro il bosone di Higgs è necessario misurarne le proprietà con grande precisione. L'intensa fase di presa dati nelle collisioni tra protoni all'LHC, che durerà fino al dicembre 2012, ci permetterà di indagare le caratteristiche della nuova particella. L'intento è capire se le predizioni del modello più semplice di bosone di Higgs sono perfettamente azzeccate o se segnali di nuovi fenomeni cominciano a manifestarsi.
La scoperta del bosone di Higgs ha fornito alcune risposte, ma ha aperto un grannumero di domande. La questione sul bosone di Higgs che più ha fatto meditare i fisici negli ultimi decenni è il cosiddetto "principio di naturalezza". In soldoni, questo principio decreta che una teoria fisica valida in un certo intervallo di distanze non può essere sensibile in modo critico ai dettagli del comportamento della natura fino a distanze arbitrariamente piccole. In pratica, questa separazione tra diverse scale di distanza ci permette di trovare equazioni che descrivono le orbite dei pianeti, anche senza conoscere il moto di ogni singola molecola dentro Giove o Venere; ci permette di formulare unateoria atomica anche senza le equazioni che descrivono la struttura interna dei quark; e così via. Per quanto ne sappiamo, questo principio sembra rispettato nel nostro universo. Se continuasse a valere anche alle distanze ora esplorate dall'LHC, il principio di naturalezza avrebbe profonde implicazioni sulla natura del bosone di Higgs.
Il bosone di Higgs ha la particolarità di subire effetti quantistici che lo rendonovulnerabile al comportamento della teoria fino a distanze arbitrariamente piccole. Questa estrema sensibilità contraddice il principio di naturalezza, creando un ostacolo concettuale che si può aggirare solo se il bosone di Higgs è accompagnato da opportuni fenomeni capaci di smorzare gli effetti quantistici. Per questa ragione molti fisici teorici sono convinti che il bosone di Higgs faccia parte di una struttura più complessa, ancora sconosciuta.
Il filo logico suggerito dal principio di naturalezza ha guidato i fisici teorici lungo un affascinante percorso di idee, portandoli a immaginare che il bosone di Higgs sia solo l'araldo di nuove strutture nascoste dello spazio-tempo. Nel profondo della materia potrebbero esistere nuove dimensioni spaziali, nuovi tipi di forze, o addirittura una nuova concezione di spazio, come previsto dalla supersimmetria. Al momento non ci sono prove tangibili dell'esistenza di queste ipotetiche strutture, ma i fisici tengono il fiato sospesonell'attesa che l'LHC potenzi la sua capacità esplorativa, raddoppiando l'energia dei fascidi protoni, in una fase prevista a partire dalla fine del 2014.
I risultati in nostro possesso ci stanno già fornendo dei primi indizi interessanti. I dati sperimentali mostrano che la massa del bosone di Higgs è tra 125 e 126 GeV, cioè circa quanto un intero nucleo di cesio. Recenti calcoli teorici hanno messo in luce una sorprendente coincidenza. Se il Modello Standard fosse valido anche a distanze ben più piccole di quelle finora esplorate, una massa del bosone di Higgs tra 125 e 126 GeV corrisponderebbe esattamente al minimo valore necessario per evitare che il nostro universo collassi in un enorme grumo massiccio. In altre parole, la massa del bosone di Higgs ha proprio il valore giusto per mantenerci in bilico sull'orlo di un'apocalisse cosmica. Secondo alcuni fisici teorici, questa singolare coincidenza potrebbe essere lamanifestazione dell'esistenza di una moltitudine di universi paralleli, il cosiddetto"multiverso" (contrapposto cioè all'universo). Nel multiverso è raro trovare un universo che permette le caratteristiche necessarie alla vita e quindi, per motivi statistici, quelle caratteristiche sono soddisfatte nel nostro universo solo marginalmente. Questa potrebbe essere la spiegazione del perché la massa del bosone di Higgs è prossima a quel valore critico oltre al quale il nostro universo è condannato a una catastrofica transizione di fase.
Non c'è dubbio che la scoperta del bosone di Higgs sia stata una tappa fondamentale nel nostro cammino verso la conoscenza dei principi fisici che governano il nostro universo. Tuttavia, questa scoperta non ha dato tutte le risposte che cercavamo per comprendere il fenomeno della rottura di simmetria. Il bosone di Higgs fornisce solo una spiegazione rozza e incompleta, che non possiede l'eleganza presente nel resto del Modello Standard. Tutto sembra far credere che oggi i fisici siano nella stessa situazione dell'archeologo che festeggia il ritrovamento di alcune pietre, non sapendo ancora che sotto c'è un'intera piramide.
Gian Francesco Giudice
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Intervento del professor Iacopo Vivarelli
Dalla scoperta delle prime particelle non ordinarie fino alla formalizzazione del cosiddetto Modello Standard delle particelle elementari: un percorso durato mezzo secolo, attraversointuizioni geniali, errori, ripensamenti. Ma, alla fine, il secolo scorso ci ha lasciato in ereditàuna teoria estremamente precisa e predittiva. Gli esperimenti effettuati negli ultimi trentaanni ai collider negli stati uniti e al CERN hanno confermato qualunque predizione del Modello Standard, tranne una: lʼesistenza del bosone di Higgs, la particella teorizzata perfar sì che le masse di tutte le particelle fossero incluse in maniera consistente nella teoria.
Ma, nel tempo, la straripante evidenza della sostanziale correttezza del Modello Standard nel descrivere lʼinfinitamente piccolo ha cominciato a stridere in maniera sempre piùviolenta con la sua assoluta inadeguatezza nel rendere conto delle osservazionidellʼinfinitamente grande. Le misure della radiazione di fondo dellʼuniverso, della velocitàdi rotazione delle galassie, etc. hanno col tempo stabilito il Modello Standard è in grado dispiegare lʼesistenza di una piccola parte della massa ed energia totale dellʼuniverso.
Un bel dilemma, dunque. Da una parte, lʼevidenza cosmologica della necessità disuperare il Modello Standard, dallʼaltra, la strabiliante precisione delle sue previsioni alivello microscopico.
Per riconciliare questi due aspetti, bisogna riuscire a superare il Modello Standard a livellomicroscopico. E, per andare oltre il Modello Standard, bisogna prima di tutto individuarne una crepa, cioè testarlo in dettaglio in tutte le sue predizioni ad energie mai raggiunteprima, cercare il più possibile di metterlo in difficoltà. Ovviamente, in cima alla lista delle priorità si trova il bosone di Higgs, lʼelemento mancante.
Questi, in poche parole, i motivi per cui il Large Hadron Collider è stato costruito. Dopo una lunga fase di preparazione e di attesa, nel 2009 LHC ha finalmente iniziato a farcollidere fasci di protoni ad energie mai raggiunte prima artificialmente. E il cammino deifisici in un nuovo territorio finora sostanzialmente inesplorato è cominciato. LHC sta al momento utilizzando circa la metà del suo potenziale, sia in termini di energia,sia in termini del numero di collisioni al secondo in grado di produrre. Nonostante questo, irisultati di LHC hanno già un impatto fortissimo nel dibattito della fisica delle particelle.
Fino a questo momento il Modello Standard ha retto in maniera eccellente allʼimpatto dellenuove misure. Nessuna delle misure effettuate ha mostrato discrepanze significative dalleprevisioni teoriche.
Inoltre, come ormai arcinoto, è stata scoperta una nuova particella, con proprietà compatibili con quelle attese per il bosone di Higgs.
La prudenza è dʼobbligo, in attesa diulteriori misure e conferme. È possibile (in un certo senso auspicabile) che sia proprio lanuova particella a darci precise indicazioni su come superare il Modello Standard. Quelche è certo, è che la scoperta ha messo in luce le grandi potenzialità di LHC, che, dopo una pausa di un paio dʼanni tra il 2013 e il 2015, riprenderà le sue attività, stavolta a piena potenza. Lʼesplorazione del nuovo territorio sarà rinnovata, in cerca di manifestazioni di fenomeni fisici che il Modello Standard non sia in grado di spiegare.
Iacopo Vivarelli