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CINQUE AREE PRIORITARIE
Verso la prossima scoperta

Il 2016 è stato un anno importante per la fisica, dall’annuncio della rivelazione delle onde gravitazionali ai progressi nella fisica delle particelle grazie agli esperimenti condotti al LHC e nei laboratori sotterranei. Uno sforzo globale in termini di risorse, infrastrutture e rivelatori di tecnologia avanzata.

Un lavoro di gruppo, quello che è stato fatto dai fisici nel 2016, che ha permesso di fare passi avanti verso la comprensione dell’Universo, dal microcosmo al macrocosmo. Tutti ricordiamo ancora la scoperta più importante dell’anno, ad opera dell’esperimento LIGO, sulla rivelazione diretta delle onde gravitazionali, la cui esistenza fu prevista da Einstein un secolo fa dalla sua teoria della relatività generale. Non solo, ma gli scienziati hanno fatto tutta una serie di progressi verso la “prossima scoperta”, grazie agli esperimenti condotti al LHC e nei laboratori sotterranei per lo studio dei neutrini. Nel campo della fisica delle particelle, fare ricerca rappresenta davvero uno sforzo a livello internazionale in termini di risorse, laboratori e rivelatori di tecnologia avanzata. Questi sforzi si possono suddividere in cinque settori tra loro connessi: lo studio del bosone di Higgs, i neutrini, la materia scura, l’accelerazione cosmica e l’ignoto. Vediamo qui di seguito qual è lo stato dell’arte in queste macro aree della ricerca e cosa ci aspetta per il futuro prossimo.

Higgs, un nuovo strumento di ricerca

Nel 2012, l’annuncio della scoperta del bosone di Higgs al CERN di Ginevra ha aperto una nuova finestra verso lo studio dell’Universo. Nel 2016, gli esperimenti di LHC hanno prodotto circa lo stesso numero di collisioni, equivalente a quello sommato in tutti gli anni precedenti. Attualmente, il tasso di collisioni del grande collisore adronico è tale da produrre un bosone di Higgs ogni circa un secondo. Se da un lato l’analisi di un’enorme mole di dati forniti dagli esperimenti ATLAS e CMS richiederà tempo, dall’altro i primi risultati stanno fornendo sorprendenti indizi sulle proprietà del bosone di Higgs. Nel mese di Agosto, gli scienziati hanno utilizzato i dati raccolti dalle collisioni più energetiche mai realizzate al LHC per “riscoprire” il bosone di Higgs e confermare che la particella segue, finora, le predizioni del modello standard. Particolari deviazioni significherebbero la presenza di segnali di una “nuova” fisica oltre il modello standard.

Crediti: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

Dato che LHC continuerà ad operare ad un ritmo impressionante per i prossimi due anni, raddoppiando e superando il numero di particelle che sarà prodotto negli esperimenti, questa nuova finestra sull’Universo si sta appena iniziando ad aprire. Gli ultimi calcoli teorici sui vari modi con cui può essere prodotto o può trasformarsi un bosone di Higgs permetteranno di individuare test più rigorosi nell’ambito del modello standard. Non solo, ma gli scienziati americani stanno cercando di sviluppare, assieme ai colleghi di altri istituti internazionali, ulteriori migliorie alla macchina in modo da ottenere un collisore a più alta luminosità, in termini di energia di collisione delle particelle, tale da fornire un numero di collisioni almeno dieci volte superiore, aprendo così un’era della fisica del bosone di Higgs di alta precisione.

A caccia di neutrini

Nel 2016, diversi esperimenti hanno continuato a studiare i neutrini, particelle “fantasma” e talmente elusive che attraversano persino il nostro corpo con un ritmo di circa cento miliardi ogni secondo. Verso la fine degli anni ’90 del secolo scorso e i primi anni del nuovo millennio, gli esperimenti in Giappone e Canada hanno trovato evidenze sul fatto che queste particelle peculiari hanno una certa massa e che esse si possono trasformare in diversi neutrini man mano che si propagano. Esiste un programma globale di esperimenti che ha lo scopo di fornire una serie di risposte ad alcune domande sui neutrini. Ci sono esperimenti su lunga linea di base che studiano le particelle mentre attraversano la Terra tra Tokai e Kamioka (T2K Experiment) in Giappone o tra l’Illinois e il Minnesota negli USA. Lo scopo di questi esperimenti è quello di studiare la massa dei neutrini e verificare se esistono differenze tra i processi di trasformazione dei neutrini e le rispettive antiparticelle, chiamate antineutrini. Durante il mese di Luglio, i fisici dell’esperimento T2K annunciarono che i loro dati mostravano una possibile differenza tra il tasso a cui un neutrino muonico si trasforma in un neutrino elettronico e il tasso a cui un antineutrino muonico si trasforma in un antineutrino elettronico.

Crediti: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

I dati T2K suggeriscono che esiste una sorta di “combinazione” delle proprietà dei neutrini, un risultato che potrebbe aprire la strada all’esperimento NOvA, negli USA, per una potenziale scoperta nei prossimi anni. Intanto, procede in Cina la costruzione del Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO). Questo esperimento avrà lo scopo di investigare la massa del neutrino per determinare qual è il più leggero. A lungo termine, la fisica delle particelle tenterà di dare una risposta definitiva a tutte queste domande grazie alla realizzazione della Long-Baseline Neutrino Facility: l’esperimento consisterà di un fascio di neutrini ad elevata intensità che sarà inviato dall’Illinois fino al South Dakota coprendo una distanza di circa 800 miglia. Qui, il Deep Underground Neutrino Experiment, che si trova a circa un chilometro sotto la superficie, dovrebbe produrre dei dati ad alta precisione sulla fisica dei neutrini.

Quale fisica per la materia scura?

Abbiamo ormai chiare evidenze sul fatto che più di un quarto della massa e dell’energia presente nell’Universo si trova sottoforma di un’enigmatica sostanza invisibile chiamata materia scura. Uno dei più grandi misteri della fisica moderna, su di essa si conosce ben poco se non per gli effetti gravitazionali che la materia scura esercita sulla materia ordinaria. Per guidare gli esperimenti, i teorici hanno studiato le possibili interazioni che le particelle note potrebbero avere con un ampio ventaglio di particelle candidate, prendendo in considerazione valori per la massa che si estendono oltre una decina di ordini di grandezza.

Crediti: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

Rivelatori enormi e sensibili, come il Large Underground Xenon (LUX), situato a circa un chilometro sotto la superficie terrestre nelle Black Hills del South Dakota, cerca direttamente le particelle di materia scura che potrebbero attraversare continuamente la Terra. Nel 2016, LUX ha completato la ricerca col più alto grado di sensibilità mai raggiunto per ottenere un’evidenza diretta della materia scura, migliorando il suo record precedente di sensibilità di un fattore quattro e restringendo lo spazio di esplorazione per un’importante classe di particelle candidate previste dai teorici. In più, i dati del Fermi Gamma-ray Space Telescope e di altri strumenti hanno continuato a restringere il campo di ricerca attraverso osservazioni indirette. Tutto ciò apre la strada ad una serie di esperimenti complementari, tra cui LZ, SuperCDMS-SNOLAB e ADMX-G2 negli USA, che avranno lo scopo di migliorare significativamente la sensibilità e rivelare, si spera, la natura della materia scura.

Capire l’espansione cosmica accelerata

I fisici delle particelle non lavorano solo con la testa in giù perchè esiste un altro problema che proviene, questa volta, dal cielo: l’Universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato. Gli scienziati stanno cercando di capire la natura della cosiddetta energia scura, l’altra componente enigmatica e dominante del contenuto materia-energia dell’Universo che sembra sfidare la forza di gravità facendo espandere sempre più lo spazio. Le osservazioni su larga-scala, realizzate da terra, cercano di misurare la storia dell’espansione cosmica e migliorare la nostra comprensione sull’energia scura.

Crediti: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

Nel 2016, gli scienziati che lavorano alla Baryon Oscillation Spectroscopic Survey hanno utilizzato il loro database di dati, che include 1,5 milioni di galassie e quasar, per migliorare le misure della scala cosmologica delle distanze e il tasso di espansione dello spazio. Queste misure permetteranno ai teorici di testare e affinare quei modelli che tentano di spiegare l’origine dell’attuale era dell’espansione cosmica. Attraverso sforzi che passano attraverso collaborazioni internazionali, i fisici americani sperano poi di poter rapidamente entrare dalla porta principale nell’era della cosmologia di precisione, per far luce sull’energia scura, grazie ai prossimi esperimenti (Dark Energy Survey, Dark Energy Spectroscopic Instrument, Large Synoptic Survey Telescope). Infine, altri sforzi da parte della comunità scientifica si stanno già concentrando per costruire un esperimento di prossima generazione che avrà come protagonista la radiazione cosmica di fondo. Si chiamerà CMB-S4 e fornirà misure precise e accurate che permetteranno non solo di fare passi avanti sullo studio dell’energia scura e fornire limiti cosmici sulle proprietà del neutrino, ma offrirà un modo alternativo per esplorare l’epoca primordiale dell’espansione cosmica nota come inflazione.

Verso l’ignoto

Spesso, i risultati di un esperimento mostrano dei segnali associati a qualcosa di nuovo e inaspettato e gli scienziati devono inventare una nuova tecnologia per capire se ciò che essi hanno visto sia davvero reale. Ma tra il 2015 e il 2016, i fisici al LHC risposero alle loro domande. Verso la fine del 2015, i ricercatori trovarono un bump inatteso nei dati, un indizio di una possibile nuova particella. I teorici erano sul pezzo. Agli inizi del 2016, essi introdussero varie interpretazioni per capire quale fosse l’impatto nell’ambito del modello standard. In Agosto, i fisici sperimentali avevano già raccolto nuovi dati per concludere che si trattava di una fluttuazione statistica.

Crediti: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

Stimolati dalla scoperta degli stati di pentaquark e tetraquark, alcuni teorici avevano predetto che gli stati legati di quattro quark-bottom sarebbero stati presto rivelati al LHC. I ricercatori continuano a testare le predizioni dei teorici contro i dati osservati, realizzando misure di alta precisione o studiando decadimenti estremamente rari grazie agli esperimenti al LHCb e a quelli che saranno realizzati col prossimo esperimento Belle II in Giappone e con gli esperimenti Muon g-2 e Muon to Electron Conversion presso il Fermi National Accelerator Laboratory.

Investire nel futuro della discovery science 

Gli esperimenti e le infrastrutture di livello mondiale che riguardano il programma su scala globale della fisica delle particelle si basano su una tecnologia avanzata. La ricerca e lo sviluppo della tecnologia degli acceleratori e dei rivelatori è il punto di partenza per costruire prospettive future, a lungo termine, con l’obiettivo di aprire la strada a potenziali scoperte. Nel 2016, scienziati e ingegneri hanno fatto passi avanti nel settore della tecnologia degli acceleratori per preparare la strada a macchine di prossima generazione e a laboratori di un futuro prossimo. Gli avanzamenti in termini dell’efficienza delle cavità di superconduzione a radio-frequenza porteranno a risparmiare denaro nella realizzazione di macchine complesse come il Linac Coherent Light Source II. A Febbraio, i ricercatori del Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) hanno dimostrato la fattibilità di uno strumento basato su una tecnologia a laser-plasma. Questo passo fondamentale è necessario per accelerare la tecnologia dei futuri collisori che potrebbero essere migliaia di volte più ridotti rispetto a quelli convenzionali. Questi risultati riflettono solo una piccola porzione delle potenzialità della fisica delle particelle che ha visto protagonista la comunità scientifica nel 2016. Insomma, la “tavola è imbandita” e i “commensali” sono pronti per affrontare sfide eccitanti che ci permetteranno di scoprire nuovi fenomeni della natura e di migliorare la nostra comprensione dell’Universo.

Crediti immagine di copertina: Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova

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