Tip:
Highlight text to annotate it
X
Ho intenzione di parlarvi della scoperta stessa,
ma ci sono un bel po' di cose che devo dirvi prima
e devo farlo in pochissimo tempo.
Quindi abbracceremo l'intera teoria quantistica dei campi,
tutta la fisica delle particelle in 18 minuti.
(risate) Non è poco, ma...ve la caverete.
Faremo un esame alla fine.
Ecco, questo è il nostro esperimento, l'esperimento CMS.
Ho intitolato il discorso
"Alla ricerca del codice genetico del nostro universo"
perché quello che facciamo in fisica delle particelle è qualcosa di molto simile a questo
e spero di potervi dimostrare perché.
Dunque, come ho detto, tratteremo la teoria dei campi,
il campo di Higgs, il meccanismo di Higgs,
quindi la cosa può diventare molto ermetica e molto rapidamente,
ma usando molte immagini e delle analogie abbastanza semplici
e alcune - spero - buone concettualizzazioni,
cercherò di rendere il senso di ciò che facciamo, perché lo facciamo, come funziona,
perché è interessante e spero che qualcosa di tutto questo possa rimanervi.
Ora, il titolo è alquanto pretenzioso, direi,
ma questo dipende un po' dal vostro punto di vista.
Ho chiesto a una mia amica, un fisico che studia la teoria delle stringhe
se fosse interessata a cosa potevamo imparare all' LHC (Large Hadron Collider)
E lei mi ha risposto "No, non proprio."
Io ho chiesto, "Perché no?" e lei: "Perché riguarda solo il nostro universo,
sai com'è..."
Quindi, in un certo senso, questo discorso è molto modesto,
sto parlando soltanto del nostro universo, OK.
Vi darò alcune informazioni generali.
C'è una cosa che chiamiamo Modello Standard della fisica delle particelle
e per metterlo insieme ci sono voluti circa 100 anni,
si è dovuta sviluppare un sacco di fisica teorica,
si sono dovute scoprire molte particelle subatomiche.
Quello che abbiamo costruito è qualcosa che assomiglia davvero
a una nuova tavola periodica delle particelle più elementari.
Ecco come si presenta.
Un famoso premio Nobel
mostrando questa diapositiva, a un certo punto disse,
dopo decenni di ricerca e miliardi di dollari spesi:
"Questo è tutto ciò che sappiamo."
Ma in un certo senso va bene, questo è ciò che vogliamo,
vorremmo trovare una spiegazione di fondo molto semplice dell'universo.
Quello che abbiamo scoperto è che ci sono tre specie di generazioni
di particelle di questo tipo, i quark e i leptoni
che sono fermioni, cioè hanno uno spin semi-intero,
ma non dovete preoccuparvi per questo.
E queste particelle sono, di fatto, quelle che costituiscono la struttura,
costituiscono gli atomi e cose del genere.
Poi ci sono particelle portatrici di forza,
che in qualche modo incollano insieme le altre particelle, è molto semplice.
Infine c'è un pezzo chiave, un altro pezzo che non avevamo ancora trovato.
Vi faccio vedere un'altra volta:
questo è uno dei maggiori successi della scienza del 20º secolo.
Diamo uno sguardo alle stesse particelle,
ma come potete vedere la loro *** è in scala logaritmica,
quindi c'è una differenza piuttosto grande tra il più leggero e il più pesante,
forse nell'ordine di un milione.
In realtà noi vediamo solo queste particelle,
che compongono i protoni, per esempio, e gli atomi.
Ma a quanto pare, tutte le altre, anche se non possiamo vederle,
sono di fondamentale importanza per il modo in cui è strutturato l'universo
e il modo in cui tutto si comporta, ed è per questo che noi facciamo quello che facciamo.
C'è un solo pezzo mancante e si tratta della particella di Higgs,
o almeno era mancante.
Qui potete vedere la *** dei quark, che va da valori piccolissimi a molto alti,
ma noi non sappiamo il perché.
Questa è una delle cose che vorremmo capire.
OK, allora, che cos'è la particella di Higgs?
Mentre stavamo sviluppando
la teoria moderna delle forze fondamentali
in questa direzione, ci siamo imbattuti in un intoppo.
Le particelle portatrici di forze
devono essere prive di ***, questo ci dicevano le nostre equazioni,
ma i dati sembravano indicare altrimenti.
E infatti non capivamo perché le particelle dovessero avere una ***
o che cos'era la *** a questo riguardo.
Le particelle prive di *** si muovono alla velocità della luce, OK.
Quindi i teorici se ne uscirono con un'idea geniale:
supponiamo che ci sia un campo di forza che riempie l'universo
e che in qualche modo rallenta le particelle al di sotto della velocità della luce.
Questo in effetti darebbe una *** alle particelle.
Infatti, come diceva il mio predecessore, esiste qualcosa del genere.
C'è questo campo che riempie l'universo,
e quando le particelle lo attraversano, vi restano come intrappolate.
Certe più di altre.
E in questo modo acquistano una ***, e fondamentalmente vengono rallentate.
Questo è il campo di Higgs.
Quindi, qual è la differenza tra un campo e una particella?
Questo è il punto in cui la cosa si fa un po' meno intuitiva
ed è molto difficile da capire senza studiare la teoria quantistica dei campi.
Ma i campi hanno particelle ad essi associate;
noi li chiamiamo quanti di campo, dalla meccanica quantistica,
e sappiamo che portano la forza di quel campo.
Le particelle interagiscono infatti scambiando questi vettori di forze.
Ecco, ad esempio, un caso molto semplice,
quello di elettroni
che si respingono l'un l'altro scambiandosi un fotone.
Questo è il modo in cui funzionano le forze.
Ci sono altri modi, altri procedimenti, molto più complessi
e per nulla intuitivi ma questo è un modo facile di vedere le cose.
Per quanto riguarda la teoria dei campi quantistici cui ho accennato...
La base è che l'energia e la *** sono equivalenti.
Quindi, in realtà, possono accadere strane cose anche nella teoria quantistica dei campi.
Una particella e un'antiparticella
possono saltar fuori da uno spazio vuoto ed esistere.
O qualcosa di simile.
Ecco qui ci sono 2 top quark, che possono poi svanire nuovamente nel vuoto.
Questo si chiama fluttuazione quantica e queste sono particelle virtuali.
Sembra un po' una magia ma in realtà è davvero fondamentale
per tutto ciò che comprendiamo.
E ha conseguenze di vasta portata.
Quindi, in realtà, a quanto pare, la struttura dell'universo,
a causa di queste particelle virtuali che si trovano dappertutto,
dipende da particelle che non esistono nel senso tradizionale del termine.
Alcune esistevano già prima,
quando l'universo era molto più caldo e molto più giovane.
Per questa ragione noi facciamo quello che facciamo, cioè cerchiamo di trovare queste particelle
per capire in che modo influenzano il nostro universo.
Per esempio qui c'è un evento, una rappresentazione dell'evento
relativo ad alcuni dei primi top quark osservati,
nel 1990 al Fermilab.
Che cosa ci garantisce che questa particella di Higgs esista davvero?
Beh, la teoria ha conseguenze molto prevedibili.
Per esempio, prevede quei vettori di forze molto pesanti
della forza nucleare debole,
le particelle W e Z.
W dovrebbe avere una *** di circa 80 GeV.
Tornerò a quest'unità fra un minuto,
Z dovrebbe avere una *** di circa 91 GeV
e il protone ha una *** di 0,9 GeV.
Quindi, queste particelle sono molto più pesanti del protone,
pur essendo molto più piccole.
Quando si creano, sono molto instabili
e decadono quasi istantaneamente.
Con i nostri detector, siamo in grado di vedere le tracce dei prodotti di decadimento
e i depositi di energia provenienti dai prodotti di decadimento
e di usarli per ricostruire la *** della particella originale
o molte delle sue proprietà.
Ecco, ad esempio, cosa possiamo aspettarci di vedere
se osserviamo le particelle Z che decadono in muoni.
Contando il numero di eventi a differenti valori di ***,
ci si aspetterebbe ti trovare un picco.
Ecco come appare la risonanza di una particella,
con un picco in corrispondenza della *** di 91,1.
Ci sono anche degli eventi di background provenienti da altre particelle.
Lasciate ora che vi mostri ciò che effettivamente vediamo, ecco qua.
I punti neri indicano le nostre misurazioni
Quindi Z e W si trovavano esattamente dove avevamo previsto che fossero
il che ci ha fatto prendere l'idea di Higgs molto sul serio.
Ci sono connessioni importanti tra le particelle
e qui la cosa si fa piuttosto interessante.
Le particelle fondamentali in realtà interagiscono tra loro continuamente,
per mezzo di quelle interazioni di realtà virtuale che ho citato.
Quindi la *** della particella W, per esempio, dipende molto dalla ***
del top quark e un po' anche dalla *** della particella di Higgs.
Ed è attraverso questo tipo di processo
che W decade in un top e un bottom quark,
che poi possono fondersi nuovamente e ridiventare una particella W.
Una particella W può irradiare un Higgs e poi riassorbirlo e ridiventare W.
Queste cose accadono continuamente.
Fondamentalmente l'identità di ciascuna di queste particelle elementari
non è in realtà separabile da ciò in cui può trasformarsi o decadere.
Questo è, ad un livello molto elementare, il modo in cui funziona l'universo.
Com'è possibile? Beh, ecco un modo efficace per visualizzarlo.
Il vuoto spazio-temporale è un luogo davvero molto interessante.
Immaginate di avere una sorta di tessuto invisibile,
che avvolge tutte le particelle possibilmente esistenti
e codifica le loro possibili interazioni.
Questo è, in realtà, lo spazio-tempo.
Nulla può accadere nello spazio-tempo, se non questo genere di cose.
Queste particelle virtuali sono sempre in attesa
di un'opportunità di interagire con particelle reali.
Quindi, fornendo sufficiente energia in una regione molto piccola,
è possibile attirare le particelle da quel tessuto nella nostra realtà.
E in qualche misura questo è esattamente ciò che facciamo.
Infatti, se l'energia è abbastanza grande, possiamo attrarre particelle
molto pesanti che non abbiamo mai visto prima.
Queste sono le chiavi per la comprensione del codice alla base del nostro universo.
Quindi, come si fa ad avere molta energia in un'area ridotta?
Noi ci riusciamo con il cosiddetto LHC "Grande Collisore di Adroni".
Ora ve lo faccio vedere, ne ho qui una bella foto.
In sostanza, abbiamo anelli di magneti che concentrano i fasci di particelle e li fanno circolare.
Ad ogni giro, imprimiamo loro una piccola accelerazione con un campo elettrico.
Poi, quando hanno abbastanza energia, li passiamo in un altro anello più grande,
dove possiamo accelerare le particelle ad energie anche superiori
e infine le passiamo nell'anello giallo che è il Grande Collisore di Adroni.
Questo vi mostra le dimensioni delle cose, a 100 metri di profondità.
Tra le altre cose, c'è voluto un sacco di tempo per dipingere quelle strisce.
Ecco qui un'altra veduta,
da cui potete farvi un'idea di quanto sia grande perché potete vedere
l'aeroporto di Ginevra, lì, è una macchina veramente gigantesca.
È tanto grande perché le particelle vengono accelerate
a un'energia talmente elevata che i magneti
a fatica riescono a mantenerle in carreggiata.
Dunque abbiamo dovuto costruire una macchina immensa per fare quattro tipi di esperimenti.
Oggi ve ne illustrerò brevemente due: i miei esperimenti al CMS,
o meglio, l'esperimento al quale partecipo, non ne sono il proprietario, e ATLAS.
Ma ce n'è un altro paio, LHCb e ALICE
che sono dedicati a cose molto specifiche per cui non mi ci addentrerò.
È un po' come la cioccolata svizzera; vi do un attimo per pensarci.
I magneti LHC che mantengono le particelle sul percorso tracciato
immagazzinano un'enorme quantità di energia.
Abbastanza da fondere 12 tonnellate di rame,
questa è l'energia contenuta in questi magneti.
È l'energia cinetica di un A380 a 700 km/h.
Ma quanta energia è immagazzinata nei fasci stessi?
È l'equivalente di 90kg di TNT o 15kg di cioccolato.
Scommetto che non lo sapevate che la cioccolata ha più calorie del tritolo.
Ora lasciate che vi parli degli esperimenti.
Si tratta di esperimenti di vasta portata
noi facciamo scontrare questi protoni a un livello di energia altissimo.
Quando l'energia è così elevata possono succedere tante cose che noi vogliamo ovviamente misurare.
Dobbiamo costruire esperimenti di portata molto vasta
in modo da riuscire a curvare le traiettorie delle particelle nei campi magnetici
e a misurare effettivamente la loro quantità di moto.
Questo è ATLAS e vi mosterò com'era durante la costruzione.
Si tratta di 30 piani interrati
e lì, come vedete, c'è una persona in piedi proprio al centro.
È qui infatti che le parti vengono completate
ma vi mostrerò qualcosa di più quando parleremo del CMS.
ATLAS è esattamente come CMS nel senso che circa 40 paesi sono coinvolti,
centinaia di istituzioni e migliaia di fisici.
Il CMS, l'esperimento che conduco attualmente,
abbiamo dovuto costruirlo sulla superficie e poi portarlo in profondità.
Questo pezzo qui, la parte centrale dell'esperimento,
pesa circa 2200 tonnellate
e abbiamo dovuto calarlo giù per 30 piani avendo a disposizione, come vedete,
solo poco più di 7 cm di spazio, quindi era piuttosto difficile da fare.
Ed ecco, questo imposta le proporzioni, tornando a questa foto,
si vedono i magneti. Non è facile valutare le dimensioni di questo enorme solenoide magnetico.
Da qui si può vedere che è piuttosto grande, è il magnete più grande mai costruito.
Per costruire abbiamo anche riciclato alcune cose,
come vecchi tubi dell'esercito russo,
che sono stati trasformati in componenti del nostro esperimento.
Qui si vede quello che succede mentre inseriamo il sistema di monitoraggio centrale.
E questa è l'immagine che ho mostrato all'inizio,
quella del rivelatore pronto per essere chiuso,
e questo qui è il fascio di particelle vero e proprio, OK?
Ed è qui che i protoni passano e poi si scontrano
al centro del rivelatore che si trova qui sulla sinistra.
Ci lavorano un sacco di persone,
questo è 1/8 delle persone che sono state coinvolte nell'esperimento CMS.
Come il presentatore ha accennato prima di me,
circa 4000 persone erano impegnate complessivamente nell'esperimento.
Allora, come facciamo a ricostruire ciò che accade in una collisione?
Questa è la parte terminale del rivelatore
e, come potete notare, ci sono un bel po' di cilindri.
Sostituendo a quest'immagine un'animazione, potete vedere che
tutti i diversi tipi di cilindri sono diversi tipi di rilevatori
capaci di individuare diverse proprietà delle particelle che li attraversano.
Quando riassumiamo tutte le informazioni da tutti i diversi strati,
siamo in grado di dire se sono pioni, muoni, kaoni, ecc.
È così che noi ricostruiamo queste cose.
Come ho già detto, facciamo scontrare questi due fasci di protoni.
Ogni fascio contiene 1380 grappoli di particelle, e in ogni grappolo ci sono 160 miliardi di protoni.
Un bel po' di numeri, vero? Le particelle si scontrano in 4 posti diversi
e ogni volta che s'incrociano,
anche se ci sono 160 miliardi di protoni in ogni grappolo,
le coppie di protoni che si scontrano sono solo 20 o 30.
Quello che accade di solito è che si rompono.
Il protone si rompe, e i quark volano via
e si sono create nuove particelle, ma questo non è particolarmente interessante.
Certe volte, però, la cosa diventa alquanto intrigante.
Lasciate che vi mostri un semplice evento, il nostro primo evento dell'era 2012.
L'evento è reale. Quello che vedrete qui è una simulazione,
ma potrete vedere come l'evento appare in realtà quando i due fasci si incrociano.
Queste sono 30 coppie di protoni in volo,
quelle sono le tracce delle particelle che fuoriescono,
e in blu sono rappresentati i depositi energetici
nella parte dell'esperimento che prevede la misurazione l'energia.
Ecco, dovremmo aver finito.
Aha bene, non riesco a capire se riusciamo ad andare oltre.
Perfetto. Ora, nell'ipotesi che due quark all'interno si scontrino molto violentemente,
si ottiene una quantità di energia tale da produrre qualcosa di veramente interessante.
Quello che vedete qui, per esempio, è il diagramma dell'interazione fra due quark.
con la formazione di un gluone molto energetico che poi decade in top quark.
Voi certo non avete mai visto prima questo tipo di diagrammi,
ma se vi mostrassi le masse coinvolte,
è un po' come far scontrare 2 palline da ping-pong
ed ottenere dallo scontro 2 palle da bowling
perché questa è in proporzione la *** dei top quark.
Lasciate che vi mostri la collisione piombo-piombo, un vero spasso.
Lanciamo 2 atomi di piombo l'uno contro l'altro,
qualcosa come 400 protoni e neutroni che si scontrano.
Ed ecco cosa ne viene fuori.
Spesso ci riferiamo a questi rivelatori come a qualcosa che assomiglia a una macchina fotografica.
Hanno circa 80 milioni di pixel, ma non sono macchine fotografiche normali.
Catturano fino a 40 milioni di immagini al secondo, cosa piuttosto difficile da fare,
e le immagini sono tridimensionali di estrema precisione,
nell'ordine di 1 micron.
Inoltre i rivelatori, che pesano rispettivamente 7 e 14 milioni di kg,
non sono per niente portatili.
Una delle sfide che si pongono qui è che queste collisioni sono molto frequenti.
In questo momento ce ne sono 16 milioni al secondo
e le cose di cui noi andiamo alla ricerca sono davvero rare.
Per gli eventi di Higgs che ricerchiamo, alcuni si verificano 1 volta su 1000 miliardi.
Quindi dobbiamo fare esperimenti per un lungo periodo, continuamente, tutto il giorno
e i dati di moltissime collisioni devono essere raccolti.
Noi ne conserviamo circa 1000 di 16 milioni al secondo,
e questi sono comunque tantissimi dati.
In realtà si finisce con circa 22 petabyte di dati all'anno,
un petabyte, credo che sia un milione di gigabyte, giusto?
Quindi, ci sono tonnellate di dati che dobbiamo trasferire in giro per il mondo
in pratica per elaborarli, perché sono troppi da conservare
tutti in un solo posto. Così vanno distribuiti tra 34 Paesi,
e sono coinvolti circa 100 000 computer.
Ora finalmente vi mostrerò le ricerche di Higgs.
Riteniamo che questo sia un evento di Higgs,
o un possibile candidato, e ciò che vedete
sono tante tracce a bassa energia. Si tratta di detriti prodotti dalla rottura dei protoni.
Non che sia molto interessante, ma notate quelle 2 grandi barre rosse?
Sono 2 fotoni che fuoriescono lateralmente:
sono davvero carichi di energia.
Questo è un evento molto raro ed è proprio l'oggetto della nostra ricerca.
La particella di Higgs potrebbe decadere in 2 fotoni che assomiglierebbero proprio a questi.
Ma ci sono tanti altri modi per ottenere due fotoni
così si finisce per ottenere un sottofondo di eventi
molto regolare, come questo.
Ma se si trova un eccedenza in qualunque punto ad uno specifico valore di ***,
ciò indica la possibilità di una nuova particella.
In realtà questa piccola protuberanza è riferita solo a poche centinaia di eventi,
è un eccesso che corrisponde a un paio di centinaia di eventi,
a circa 125 GeV e quante collisioni ci sono volute per trovarlo?
Beh, ci sono volute 10∧15 collisioni.
Ci è voluto molto tempo per l'esecuzione
e la filtrazione dei dati per trovare questi due tizi.
Ma questo piccolo bernoccolo, in realtà, rappresenta davvero una grande scoperta.
In ATLAS vediamo un altro tipo di evento da noi ricercato.
La particella di Higgs può anche decadere in due particelle Z, alle quali ho accennato in precedenza,
e queste possono decadere sia in elettroni che in muoni;
questo è un evento con 4 elettroni.
Ricostruendo le particelle Z e ricostruendo ciò che si ottiene dalle due Z,
si trovano, infatti, molte delle cose che ci si può aspettare.
Questa è una rappresentazione difficile da leggere e contiene molti dati che soddisfano le aspettative,
ma c'è un punto in cui i dati sono molto al di sopra delle aspettative,
circa 150, 125, e se si guarda al CMS,
sulla scala ingrandita, anche lì si vede un'eccedenza a 125.
Sono questi piccoli segni rivelatori, in realtà,
a dirci che siamo in presenza di qualcosa di nuovo
che abbiamo appena iniziato a veder emergere.
Novità assolute, che indicano una grande scoperta.
Entrambi gli esperimenti registrano eccedenze alla *** di 125,
in parecchi canali diversi. Ce ne sono alcuni che non vi ho mostrato.
E dopo studi molto complessi e controlli rigorosi
che sono durati per mesi e hanno richiesto l'impegno di centinaia di persone,
tutto reggeva, una cosa che non si era mai verificata in precedenza.
Tutto è coerente con quanto previsto per il bosone di Higgs
e la significatività statistica è sufficiente per rivendicare una scoperta.
Ma siamo davvero solo all'inizio.
Questa è la copertina della pubblicazione
con i due risultati che è stata pubblicata a luglio.
Sono passati 48 anni - sono rimaste solo 2 diapositive -
da quando il Modello Standard del bosone di Higgs è stato ipotizzato.
Ci sono voluti 20 anni per progettare
e costruire l'acceleratore e questi complessi esperimenti,
gli esperimenti più complessi mai realizzati nella storia della fisica.
Ci sono voluti 3 anni per acquisire i dati
e uno sforzo veramente intenso da parte di migliaia
di fisici, ingegneri e tecnici per rendere possibile tutto ciò.
Cosa viene dopo?
Beh, dovremo cercare di capire di cosa si tratta.
Siamo abbastanza sicuri che si tratti di Higgs, anzi, siamo sicuri che sia Higgs
ma dobbiamo studiare le sue proprietà, perché c'è una possibilità
che non si tratti del semplice modello standard di Higgs.
In questo caso avremmo una sorta di rivoluzione,
che potrebbe aiutarci a capire molte cose
e che potrebbe condurci verso nuove frontiere.
Perciò, state collegati.
(Applauso)