News
Ad
Ad
Ad
Tag

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Browsing

Onde gravitazionali: le nuove sensazionali scoperte del team internazionale di ricercatori Virgo e LIGO 

Il ruolo degli scienziati UNIPG  

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori


Si è svolta oggi presso il Rettorato dell’Università degli Studi di Perugia la conferenza stampa di presentazione ai giornalisti umbri delle nuove, sensazionali scoperte scientifiche realizzate dai ricercatori dei progetti Virgo e LIGO.

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori

All’incontro con i giornalisti – realizzato in contemporanea con l’omologo evento internazionale che ha visto collegati i vari gruppi di ricerca in modalità streaming – erano presenti i professori Helios Vocca, Delegato del Rettore per il settore Ricerca, Valutazione e Fund-raising e Roberto Rettori, Delegato del Rettore per il settore Orientamento, Tutorato e Divulgazione scientifica, insieme a numerosi Delegati Rettorali e Direttori dei Dipartimenti dello Studium.

Onde gravitazionali Virgo LIGO

I ricercatori dei progetti Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.

Helios Vocca

“Il risultato di oggi è per noi fonte di enorme soddisfazione – dichiara il professore Helios Vocca, responsabile del gruppo Virgo Perugia – perché si tratta di una nuova scoperta realizzata grazie ad un detector che è frutto anche del lavoro realizzato dal gruppo Virgo Perugia in trent’anni di attività: un impegno, quello del team perugino, che è stato ampiamente riconosciuto a livello internazionale e che ci vede coinvolti nel management sia del progetto Virgo, sia del nuovo esperimento  giapponese ‘Kagra’, guidato da Takaaki Kajita, premio Nobel per la Fisica nel 2015 e laureato honoris causa del nostro Ateneo. Del nostro gruppo, inoltre – aggiunge Vocca – fa parte anche il dottor Michele Punturo, della sezione INFN di Perugia, attualmente Principal Investigator dell’esperimento ‘Einstein Europe’, il futuro detector europeo per le onde gravitazionali.

Il team di Perugia possiede competenze uniche al mondo – spiega il professor Vocca – in particolare sulle sospensioni degli specchi degli interferometri. In virtù di questa altissima specializzazione, stiamo lavorando insieme ad altri colleghi di vari Paesi europei e giapponesi per creare un laboratorio internazionale proprio a Perugia o comunque in Umbria, al fine di sfruttare le ricadute tecnologiche dei rilevatori di onde gravitazionali in altri settori, quali ad esempio quello del rischio sismico, affinché le avanzatissime tecnologie utilizzate nello spazio servano al miglioramento della vita dei cittadini.

Il tutto, inoltre, – conclude il professor Helios Vocca – avrà un’importante valenza per i nostri studenti: stiamo infatti puntando a costruire, in questo ambito scientifico, un’offerta didattica innovativa interuniversitaria, ovvero corsi di laurea realizzati in partnership con altri Atenei del centro-Italia, per dar vita a una ‘scuola’ che sia davvero unica persino a livello internazionale”.

Roberto Rettori

“In questo periodo di emergenza, nel rispetto delle direttive ministeriali, l’Università degli Studi di Perugia non ha mai interrotto né l’attività didattica né quella di ricerca – ha sottolineato il professore Roberto Rettori -. L’esperimento Virgo, che per l’unità di Perugia è coordinato dal professor Helios Vocca del Dipartimento di Fisica e Geologia, ne è una chiara dimostrazione.

I risultati che i nostri eccellenti ricercatori ottengono in tutte le discipline, permettono al nostro Ateneo di crescere e sempre di più diventare un punto di riferimento in Italia e nel mondo, promuovendo quindi Perugia e il suo territorio. Attraverso le numerose iniziative di divulgazione della ricerca che stiamo organizzando in tutta la regione, l’Università degli Studi di Perugia esce dalle sue mura, arriva alla popolazione e diventa suo patrimonio da difendere e valorizzare. Ringrazio il Magnifico Rettore, Professore Maurizio Olivieroper il supporto costante che offre a tali iniziative nonché tutti i colleghi per il loro lavoro. L’Ateneo di Perugia è soprattutto il luogo accogliente della conoscenza dove i giovani possono realizzare le loro passioni e costruire il loro futuro”.

La Sala Dessau all’Università di Perugia

Perugia, 2 settembre 2020

 

Virgo e LIGO svelano nuove e inattese popolazioni di buchi neri

Helios Vocca e Roberto Rettori

Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.

Gli scienziati delle collaborazioni internazionali che sviluppano e utilizzano i rivelatori Advanced Virgo presso lo European Gravitational Observatory (EGO) in Italia e i due Advanced LIGO negli Stati Uniti hanno annunciato l’osservazione di un buco nero di circa 142 masse solari, che è il risultato finale della fusione di due buchi neri di 66 e 85 masse solari. I componenti primari e il buco nero finale si trovano tutti in un intervallo di massa mai visto prima, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo di onde gravitazionali. L’evento di onda gravitazionale è stato osservato dai tre interferometri della rete globale il 21 maggio 2019. Il segnale (chiamato GW190521) è stato analizzato dagli scienziati, che stimano che la sorgente disti circa 17 miliardi di anni luce dalla Terra. Due articoli scientifici che riportano la scoperta e le sue implicazioni astrofisiche sono stati pubblicati oggi su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters,
rispettivamente.

“Il segnale osservato il 21 maggio dello scorso anno è molto complesso e, dal momento che il sistema è così massiccio, lo abbiamo osservato per un tempo molto breve, circa 0.1 s”, dice Nelson Christensen, directeur de recherche CNRS presso ARTEMIS a Nizza in Francia e membro della Collaborazione Virgo. “Non assomiglia molto ad un sibilo che cresce rapidamente in frequenza, che è il tipo di segnale che osserviamo di solito: assomiglia piuttosto ad uno scoppio, e corrisponde alla massa più alta mai osservata da LIGO e Virgo.” Effettivamente, l’analisi del segnale – basata su una potente combinazione di modernissimi modelli fisici e di metodi di calcolo – ha rivelato una gran quantità di informazione su diversi stadi di questa fusione davvero unica.

Questa scoperta è senza precedenti non solo perché stabilisce il record di massa tra tutte le osservazioni fatte finora da Virgo e LIGO ma anche perché possiede altre caratteristiche speciali. Un aspetto cruciale, che ha attratto in particolare l’attenzione degli astrofisici, è che il residuo finale appartiene alla classe dei cosiddetti “buchi neri di massa intermedia” (da cento a centomila masse solari). L’interesse verso questa popolazione di buchi neri è collegato ad uno degli enigmi più affascinanti e intriganti per astrofisici e cosmologi: l’origine dei buchi neri supermassicci. Questi mostri giganteschi, milioni di volte più pesanti del Sole e spesso al centro delle galassie, potrebbero essere il risultato della fusione di buchi neri di massa intermedia.

Fino ad oggi, pochissimi esempi di questa categoria sono stati identificati unicamente per mezzo di osservazioni elettromagnetiche, e il residuo finale di GW190521 è la prima osservazione di questo genere per mezzo di onde gravitazionali. Ed è di interesse ancora maggiore, visto che si trova nella regione tra 100 e 1000 masse solari, che ha rappresentato per molti anni una specie di “deserto dei buchi neri”, a causa della scarsità di osservazioni in questo intervallo di massa.

I componenti e la dinamica della fusione del sistema binario che ha prodotto GW190521 offrono spunti astrofisici straordinari. In particolare, il componente più massiccio rappresenta una sfida per i modelli astrofisici che descrivono il collasso in buchi neri delle stelle più pesanti, quando queste arrivano alla fine della loro vita. Secondo questi modelli, stelle molto massicce vengono completamente distrutte dall’esplosione di supernova, a causa di un processo chiamato “instabilità di coppia”, e si lasciano dietro solo gas e polveri cosmiche. Perciò gli astrofisici non si aspetterebbero di osservare alcun buco nero nell’intervallo di massa tra 60 e 120 masse solari: esattamente dove si trova il componente più massiccio di GW190521. Quindi, questa osservazione apre nuove prospettive nello studio delle stelle massicce e dei meccanismi di supernova.

“Parecchi scenari predicono la formazione di buchi neri nel cosiddetto intervallo di massa di instabilità di coppia: potrebbero risultare dalla fusione di buchi neri più piccoli o dalla collisione multipla di stelle massicce o addirittura da processi più esotici”, dice Michela Mapelli, professore presso l’Università di Padova, e membro dell’INFN Padova e della Collaborazione Virgo. “Comunque, è possibile che si debba ripensare la nostra attuale comprensione degli stadi finali della vita di una stella e i conseguenti vincoli di massa sulla formazione dei buchi neri. In ogni caso, GW190521 è un importante contributo allo studio della formazione dei buchi neri.”

Infatti, l’osservazione di GW190521 da parte di Virgo e LIGO porta la nostra attenzione sull’esistenza di popolazioni di buchi neri che non sono mai stati osservati prima o sono inattesi, e in tal modo solleva nuove intriganti domande sui meccanismi con cui si sono formati. A dispetto del segnale insolitamente breve, che limita la nostra capacità di dedurre le proprietà astrofisiche della sorgente, le analisi più avanzate e i modelli attualmente disponibili suggeriscono che i buchi neri iniziali avessero alti valori di spin, o in altre parole che avessero un’elevata velocità di rotazione.

“Il segnale mostra segni di precessione, una rotazione del piano orbitale prodotta da spin elevati e con un’orientazione particolare”, nota Tito Dal Canton, ricercatore del CNRS presso IJCLab ad Orsay, Francia, e membro della Collaborazione Virgo, “L’effetto è debole e non possiamo esserne certi del tutto, ma se fosse vero darebbe forza all’ipotesi che i buchi neri progenitori siano nati e vissuti in un ambiente cosmico molto dinamico e affollato, come un ammasso stellare denso o il disco di accrescimento di un nucleo galattico attivo.”

Parecchi scenari diversi sono compatibili con questi risultati e anche l’ipotesi che i progenitori della fusione possano essere buchi neri primordiali non è stata scartata dagli scienziati. Effettivamente, noi stimiamo che la fusione abbia avuto luogo 7 miliardi di anni fa, un tempo vicino alle epoche più
antiche dell’Universo.

Rispetto alle precedenti osservazioni di onde gravitazionali, il segnale di GW190521 è molto breve e più difficile da analizzare. La complessa natura di questo segnale ci ha spinto a considerare anche altre sorgenti più esotiche, e queste possibilità sono descritte in un altro articolo che accompagna quello della scoperta. La fusione di un sistema binario di buchi neri resta però l’ipotesi più
probabile.

“Le osservazioni portate avanti da Virgo e LIGO illuminano l’universo oscuro e definiscono un nuovo panorama cosmico”, dice Giovanni Losurdo, che guida Virgo ed è dirigente di ricerca presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, “E oggi, ancora una volta, annunciamo una scoperta senza precedenti. Continuiamo a migliorare i nostri strumenti per aumentare la loro performance e
per vedere sempre più a fondo nell’Universo.”

Informazioni aggiuntive sugli osservatori di onde gravitazionali:

La Collaborazione Virgo è composta attualmente da circa 580 membri provenienti da 109 istituzioni in 13 diversi paesi, che comprendono Belgio, Francia, Germania, Grecia, Irlanda, Italia, Olanda, Polonia, Portogallo, Spagna e Ungheria. Lo European Gravitational Observatory (EGO) che ospita il rivelatore Virgo si trova vicino a Pisa in Italia ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, e dal Nikhef in Olanda. Una lista dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile al link http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/ . Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo http://www.virgo-gw.eu

.LIGO è finanziato dalla National Science Foundation (NSF) e la sua operatività dipende da Caltech e MIT, che hanno concepito e guidato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è venuto dall’NSF, con significativi impegni e contributi da parte tedesca (Max Planck Society), inglese (Science and Technology Facilities Council) e australiana (Australian Research Council-OzGrav). Circa 1300 scienziati di tutto il mondo partecipano all’impresa scientifica della Collaborazione LIGO, che include anche la Collaborazione GEO. Una lista di altri partners è disponibile al link https://my.ligo.org/census.php
.

I RICERCATORI DI PERUGIA A CACCIA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI

Un’esperienza ventennale nella descrizione teorica e nello sviluppo di tecnologie per osservare le onde gravitazionali che ha condotto anche a ricadute tecnologiche nel campo delle energie rinnovabili.

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori

Il gruppo di scienziati di Perugia che lavora all’esperimento Virgo per la rivelazione e lo studio di onde gravitazionali fa parte del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e della Sezione di Perugia dell’INFN e da circa trent’anni si occupa de i rivelatori delle Onde Gravitazionali. Il gruppo si occupa per lo più di elabora re modelli teorici e tecniche sperimentali per studiare la dinamica dei sistemi fisici non lineari e in particolare p er lo studio del rumore. Si tratta cioè di conoscere le caratteristiche e saper limitare o utilizzare in modo efficiente tutte qu elle vibrazioni che popolano i fenomeni naturali, dalle vibrazioni delle molecole e degli atomi dovute alla temperatura alle vibrazioni macroscopiche che potrebbero disturbare la rivelazione dei segnali che arrivano dal cosmo e che l’esperimento Virgo rivela. Oltre a questo negli ultimi anni ha acquisito competenze di ottica quantistica, di data analisi e modelli stica della Relatività Generale per sistemi compatti.

Il gruppo di ricerca perugino attivo nell’esperimento Virgo è coordinato dal Prof. Helios Vocca (attualmente nel Management Team sia dell’esperimento europeo Virgo che dell’esperimento giapponese Kagra). Sono nel complesso 12, tra scienziati e tecnici, le persone del Dipartimento di Fisica e della Sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che costituiscono il team coinvolto nell’osservazione e nell’analisi dei dati raccolti sulle onde gravitazionali; fra loro anche il Dott. Michele Punturo responsabile del gruppo di ricerca astroparticellare per la sezione INFN di Perugia e attualmente Principal Investigato dell’esperimento Einstein Telescope, futuro detector europeo per le Onde Gravitazionali.

Le abilità acquisite dal team perugino nello studio delle vibrazioni, da quelle microscopiche a quelle più grandi, ha consentito di apportare un contributo essenziale ai metodi utilizzati per istallare gli specchi e il complesso dei sistemi ottici, cuore dello strumento per l’osservazione delle onde gravitazionali: l’interferometro Virgo. Il rivelatore Virgo istallato a Cascina, nelle campagne poco fuori Pisa, è costituito da due lunghi tubi di tre chilometri l’uno, disposti perpendicolarmente tra loro a formare una elle. All’interno di questi tubi si fa il vuoto e viene fatto correre un raggio laser avanti e indietro attraverso un sistema di specchi. È proprio lo spostamento degli specchi al passaggio dell’onda gravitazionale che ne rileva la presenza. Di conseguenza è cruciale la realizzazione di queste parti dell’apparato. Attraverso una conoscenza accurata del rumore termico, ovvero delle vibrazioni degli atomi e delle molecole che costituisco i materiati di cui sono fatte le parti del rivelatore Virgo, il gruppo di Perugia ha fatto sì che il segnale delle onde gravitazionali non si confondesse con altri disturbi provenienti dall’ambiente. Il gruppo di Perugia si è occupato, sin dalla nascita del progetto Virgo, dello sviluppo del sistema per sospendere gli specchi all’interno delle torri dell’esperimento. Tale sistema è unico perché consente allo specchio di poter oscillare dissipando pochissima energia e quindi rendendolo estremamente sensibile alla rivelazione dei segnali gravitazionali. Il pendolo è costituito da sottilissimi fili prima di acciaio, ora di un particolare vetro: il quarzo fuso. Insieme ai fili è stato ideato e realizzato un sistema originale di ancoraggio degli specchi attraverso tecniche innovative d’incollaggio delle componenti del rivelatore sviluppate tra i laboratori di Perugia e quelli di Glasgow. Queste tecnologie sono alla base dell’aumento di sensibilità che caratterizza il cosiddetto Advanded Virgo.

Le abilità tecniche e le conoscenze teoriche acquisite in questi trent’anni dai fisici dell’Università di Perugia, coinvolti nel progetto Virgo, ha consentito al gruppo di entrare da protagonista anche nell’esperimento giapponese, Kagra (esperimento guidato da una vecchia conoscenza dell’Ateneo perugino, il Prof. Takaaki Kajita premio Nobel in Fisica nel 2015, al quale nel 2017 è stata riconosciuta la laurea Honoris Causa) trasferendo le proprie competenze alla collaborazione asiatica per la realizzazione delle sospensioni criogeniche in zaffiro delle ottiche del rivelatore.

 

 

Testi e foto dall’Ufficio Stampa Università di Perugia

Tra i risultati presentati all’ultima conferenza ICHEP (40th ICHEP conference), spicca l’annuncio di due esperimenti del CERN, ATLASCMS di nuove misure che mostrano il decadimento del bosone di Higgs in due muoni. Il muone è una copia più  pesante dell’elettrone, una delle particelle elementari che costituiscono la materia dell’Universo. Gli elettroni sono classificati come particelle di prima generazione mentre i muoni appartengono alla seconda generazione.

decadimento bosone di Higgs CERN CMS ATLAS Roberto Carlin
Il decadimento del bosone di Higgs in due muoni, così come registrato dai due esperimenti CERN, CMS (a sinistra) e ATLAS (destra). Immagine: CERN

Il processo di decadimento del bosone di Higgs in muoni, secondo la teoria del Modello Standard, è molto raro (un bosone di Higgs su 5000 decade in muoni). Questi risultati sono molto importanti dal momento che indicano per la prima volta che il bosone di Higgs interagisce con particelle elementari della seconda generazione.

Abbiamo intervistato Roberto Carlin, ricercatore dell’INFN e professore dell’Università di Padova che attualmente è il portavoce dell’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) e gli abbiamo posto alcune domande su questo annuncio e sul prossimo futuro dell’esperimento CMS.

 

Un decadimento molto raro del bosone di Higgs al CERN

Recentemente la collaborazione CMS ha annunciato i rilevamenti di un decadimento molto raro del bosone di H –> mumu. Per quale motivo è così importante questa misura?

La materia di cui siamo fatti è formata da elettroni e quark di tipo “up” e “down”, i costituenti dei protoni e dei neutroni. Queste sono le particelle della cosiddetta “prima generazione”. Esistono particelle con massa più grande che compaiono nelle interazioni ad alte energie, e sono instabili, decadendo alla fine nelle particelle più leggere: il muone appunto, una specie di elettrone duecento volte più pesante, che con i quark “strange” e “charm” costituiscono la seconda generazione.

Ne esiste una terza, ancora più pesante, con il tau ed i due quark bottom e top. Sappiamo che è così ma non sappiamo perché. Non sappiamo perché ci siano tre famiglie e perché abbiano masse così diverse. Il quark top, la particella più pesante che conosciamo, ha una massa poco più di 170 volte quella di un atomo di idrogeno e circa 350 mila volte quella di un elettrone.

Però sappiamo che nel Modello Standard, l’attuale teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni, la massa delle particelle è generata dalla loro interazione con il campo di Higgs. Quindi studiare l’accoppiamento delle particelle con il bosone di Higgs significa studiare il meccanismo che fornisce loro la massa, e potrebbe gettare luce sulle ragioni di tanta diversità.

Dalla terza generazione alla seconda

Finora, dopo la scoperta del bosone di Higgs che data al 2012, si sono studiati i suoi accoppiamenti con le particelle pesanti, di terza generazione: tau, top, bottom (oltre che quelli con i bosoni vettori più pesanti, W e Z, particelle che mediano la forza elettro-debole). E il motivo è chiaro, più pesante la particella, più grande è l’accoppiamento con il bosone di Higgs, e quindi più facile misurarlo. Con questa nuova misura per la prima volta abbiamo avuto indicazioni sull’accoppiamento con i muoni, particelle della seconda generazione, più leggere, ottenendo risultati in accordo, entro le incertezze sperimentali, con le previsioni del Modello Standard.

Una misura molto difficile, solo un bosone di Higgs su 5000 decade in una coppia di muoni, mentre più della metà delle volte decade in una coppia di quark bottom. Il risultato è molto importante e niente affatto scontato: a priori il meccanismo che fornisce massa alle particelle di diversa generazione potrebbe essere più complesso coinvolgendo, per esempio, diversi bosoni di Higgs.

Peter Ware Higgs, insignito del Nobel della Fisica nel 2013, predisse negli anni ’60 l’esistenza del bosone che oggi ne porta il nome. Oggi con l’esperimento CMS del CERN, si rileva un raro decadimento del bosone di Higgs in due muoni. Foto Flickr di Bengt Nyman, CC BY 2.0

Evidenza o Scoperta?

Nell’annuncio si sottolinea che la significatività è di “soli” 3 sigma. Ci potrebbe spiegare per quale motivo 3 sigma non sono sufficienti e quando si pensa di raggiungere la soglia dei 5 sigma?

Intanto direi “già” 3 sigma, non “soli”. Perché una misura di questa significatività non era attesa così presto, ci si aspettava di arrivarci utilizzando anche i dati del “Run 3”, previsto tra il 2022 ed il 2024. Invece la gran mole dei dati forniti negli anni passati da LHC, la grande efficienza e qualità della rivelazione e ricostruzione di muoni in CMS, e l’impiego di strumenti di deep learning, ovvero le tecniche sviluppate nel campo dell’intelligenza artificiale, hanno permesso questo eccellente risultato. Il problema di questa misura è che non solo il segnale è molto raro, abbiamo detto che solo un bosone di Higgs su 5000 decade in due muoni, ma anche che esistono processi diversi che possono imitare il segnale cercato (eventi di fondo), e questi sono migliaia di volte più frequenti del segnale.

Una significatività di 3 sigma viene chiamata “evidenza” e significa che, in assenza di segnale, fluttuazioni degli eventi di fondo potrebbero generare un contributo simile a quanto osservato (e quindi un falso segnale) una volta su 700. Una probabilità piccola ma non piccolissima. Lo standard che ci siamo dati per una “osservazione”, al di là di ogni ragionevole dubbio, è di 5 sigma, che rappresenta una probabilità di una volta su qualche milione.

Per arrivare ciò serviranno circa il triplo dei dati attualmente disponibili. Speriamo che il Run 3 ci darà tanto, contiamo almeno di raddoppiare i dati, anche se siamo abituati a risultati migliori dell’atteso. In ogni caso una combinazione dei risultati di ATLAS e CMS alla fine Run 3 dovrebbe permetterci di arrivare a questa nuova soglia.

Una conferma del Modello Standard

Ci sono stati casi di misure a 3 sigma che poi, con l’aumentare del campione di indagine, si sono rivelate semplici fluttuazioni statistiche?

Certamente. Abbiamo detto che con 3 sigma si parla di probabilità pari una volta su 700. Poiché in questi esperimenti facciamo molte misure diverse (CMS ha recentemente celebrato i 1000 articoli scientifici), simili fluttuazioni accadono. Nel caso una fluttuazione di 3 sigma punti a un fenomeno nuovo, inaspettato, siamo perciò molto cauti. Qui si tratta di una misura, molto importante, che conferma entro le incertezze sperimentali quanto previsto dal Modello standard, il risultato inaspettato sarebbe stato la mancanza del segnale, non la sua presenza.

Muon Collider

Se questa scoperta venisse confermata, avremmo una conferma sperimentale dell’accoppiamento del bosone H con leptoni della seconda famiglia. Questa potrebbe avere influenza per lo sviluppo di un acceleratore basato sullo scontro di muoni invece che elettroni?

Queste prime misure indicano che l’accoppiamento del bosone di Higgs con i muoni è compatibile con quello atteso. In questo caso, assumendo valido il Modello Standard, la probabilità di produrre direttamente (in modo risonante) bosoni di Higgs in un collisore di muoni sarebbe circa 40 mila volte maggiore di quella, troppo piccola, che si avrebbe in un collisore di elettroni, e questo renderebbe possibile misurare alcune quantità, come la massa del bosone di Higgs, con altissima precisione.

Aggiornamento del rivelatore CMS

L’acceleratore LHC (Large Hadron Collider) dovrebbe ripartire tra qualche mese, dopo un anno di riposo. Che miglioramenti sono stati apportati al rivelatore CMS in questo periodo?

Il numero di miglioramenti è molto grande. Tra questi, l’elettronica del rivelatore di vertice, il più preciso e vicino al punto di interazione, sta ricevendo vari aggiornamenti approfittando della necessità programmata di rimpiazzarne lo strato interno, il più soggetto a danneggiamenti da radiazioni. Anche l’elettronica del calorimetro per adroni è stata completamente sostituita, aumentandone significativamente le prestazioni.

Inoltre, abbiamo cominciato a installare rivelatori che sono previsti nel piano di aggiornamento per il futuro “High-Luminosity LHC”. In particolare due dischi di rivelatori di muoni basati sulla nuova tecnologia GEM (Gas Electron Multiplier). Avremo quindi un rivelatore ancora migliore, adatto a gestire in maniera ottimale l’alta intensità di collisioni tra protoni che LHC si prepara a fornire (anche lo stesso LHC ha significativi aggiornamenti in questo periodo).

L’impatto del COVID-19

L’emergenza COVID-19 ha costretto università ed enti di ricerca a nuove forme di lavoro a distanza. Vi sono state conseguenze, come ritardi nella programmazione della ripartenza di LHC o negli aggiornamenti al rivelatore?

CMS è una grande collaborazione internazionale, con istituti da 55 paesi di tutto il mondo, e siamo quindi già abituati a lavorare in rete. Praticamente tutti i nostri meeting sono da anni in videoconferenza per facilitare l’accesso remoto. Quindi la transizione a una modalità di telelavoro per alcune  attività, in particolare l’analisi dei dati, è stata forse più facile che in altri contesti. Anche se con difficoltà innegabili, per esempio per persone che hanno dovuto gestire figli a casa. Naturalmente altre attività di aggiornamento dei rivelatori, previste in questo periodo, hanno subito dei ritardi a causa della chiusura del CERN.

Alla fine del lockdown il management degli esperimenti, degli acceleratori e del CERN si è riunito e abbiamo deciso un nuovo programma, che vede la ripresa di LHC ad inizio 2022 invece che a metà 2021. Siamo tuttavia riusciti a ottimizzare i periodi seguenti cosicché la quantità di dati prevista nel prossimo periodo prima della nuova chiusura nel 2025, prevista per installare il grande aggiornamento di “high lumi LHC”, non ne risentirà e ci consentirà di continuare il nostro vastissimo programma di studi, ottenendo sicuramente nuovi importanti risultati.

 

L’esperimento NA62, installato nei laboratori del CERN di Ginevra, ha annunciato un importante risultato ottenuto dalla analisi dei dati raccolti fra il 2016 e il 2018, il ruolo degli scienziati perugini 

 

 

esperimento NA62
L’esperimento NA62 installato presso il CERN (immagine proveniente dalla pagina web: https://na62.web.cern.ch/Home/Home.html)

Nel tardo pomeriggio del 28 luglio 2020, in occasione della quarantesima edizione della International Conference on High Energy Physics (ICHEP), l’esperimento NA62, installato presso i laboratori del CERN di Ginevra, ha annunciato un importante risultato ottenuto dalla analisi dei dati raccolti fra il 2016 e il 2018. 

 L’esperimento NA62 è stato costruito con lo scopo di osservare il decadimento ultra-raro di un kaone carico in un pione carico e una coppia neutrino-antineutrino (K+ → p+ nn), e di misurare la probabilità che esso avvenga dato un generico decadimento del kaone carico. 

La teoria che descrive le interazioni fra particelle elementari, il cosiddetto Modello Standard, prevede che questo decadimento avvenga circa una volta ogni dieci miliardi di decadimenti del kaone carico. La misura della probabilità di decadimento da parte di NA62 può quindi fornire un test di precisione per il Modello Standard, con la possibilità di evidenziare effetti di Nuova Fisica, qualora il risultato della misura sia significativamente diverso dalla predizione teorica. 

L’esperimento NA62 ha annunciato di aver osservato, nei dati raccolti nel 2018, diciassette eventi compatibili con il decadimento cercato, che si aggiungono ai due eventi osservati nei dati 2017 e ad un evento osservato nei dati 2016. Ciò rappresenta la più alta statistica mai raccolta per l’osservazione di questo decadimento, che ha consentito all’esperimento NA62 di poter effettuare la misura più precisa mai realizzata per questa probabilità di decadimento, che risulta essere compatibile con quanto predetto dalla teoria, entro le incertezze sperimentali. 

L’esperimento continuerà a raccogliere dati a partire dal 2021, al fine di migliorare ulteriormente la precisione della misura. 

Alla Collaborazione NA62, che conta circa duecento ricercatori da tutto il mondo, partecipa anche un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia (referente: Prof.ssa Giuseppina Anzivino) e della sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (referente: Dott.ssa Monica Pepe). 

Il gruppo ha contribuito in maniera fondamentale a tale risultato, attraverso la partecipazione alla costruzione e al mantenimento di uno dei rivelatori chiave dell’esperimento, il RICH, e rivestendo un ruolo da protagonista nell’analisi dei dati che ha portato all’osservazione degli eventi, con due tesi di dottorato sul tema.

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Perugia

Record mondiale di luminosità all’acceleratore di particelle SuperKEKB in Giappone, il ruolo degli scienziati perugini

Luminosità istantanea fornita dall’acceleratore SuperKEKB al rilevatore Belle II in funzione del tempo

Alle 13.34 del 15 Giugno 2020 ora italiana, l’acceleratore SuperKEKB, nel laboratorio KEK a Tsukuba in Giappone, ha stabilito un nuovo record mondiale, raggiungendo la luminosità istantanea di 2.22×1034 cm-2 s -1 . Il precedente record di luminosità era detenuto dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra con 2.14×1034 cm-2 s -1 .

La luminosità di un acceleratore esprime la capacità dell’apparato di produrre collisioni tra particelle e pertanto rappresenta uno dei principali elementi per ottenere nuove scoperte nel campo della fisica. In SuperKEKB avvengono collisioni tra elettroni e positroni ad un’energia prossima alla massa della risonanza Y(4S) (10.58 GeV) dove è copiosa la produzione di mesoni B, D e di leptoni t.

L’esperimento Belle II ha come obbiettivo principale la ricerca di effetti di nuova fisica, al di là del Modello Standard, nella produzione e nel decadimento di tale particelle.

Belle II è il risultato di una collaborazione internazionale di circa 1.000 fisici e ingegneri provenienti da 115 università e laboratori di 26 Paesi. L’Italia partecipa attraverso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e le Università collegate, tra cui la Sezione di Perugia INFN e l’Ateneo perugino.

Claudia Cecchi, Maurizio Biasini, Elisa Manoni

Il gruppo perugino dell’esperimento Belle II, guidato dalla Professoressa Claudia Cecchi del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia, contribuisce attivamente alla presa dati dell’esperimento, al mantenimento di una parte del rivelatore in particolare del Calorimetro Elettromagnetico (ECL) per la misura dell’energia di fotoni ed elettroni e ricopre ruoli di responsabilità nell’analisi dei dati per la ricerca di decadimenti rari che potrebbero dare informazioni fondamentali sulla ricerca di Nuova Fisica oltre il modello Standard. Il gruppo si avvale inoltre della collaborazione del Professor Maurizio Biasini, docente dello stesso Dipartimento, e della Dottoressa Elisa Manoni, ricercatrice della Sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Sebbene il Modello Standard descriva correttamente il comportamento delle particelle sub-atomiche note, numerose teorie predicono nuove particelle e ci sono osservazioni di natura astrofisica che suggeriscono l’esistenza di materia ed energia oscure. Inoltre è tutt’ora aperta la questione di quale sia l’origine dell’asimmetria materia-antimateria dell’universo. Nuove particelle, con massa molto grande, possono essere prodotte direttamente se si dispone di energia sufficiente, oppure possono essere osservate indirettamente attraverso gli effetti quantistici con cui modificano i processi di produzione e decadimento delle particelle già note e questo secondo approccio è quello seguito dal collisore SuperKEKB e dall’esperimento Belle II. Questi effetti quantistici sono tanto più rari quanto è maggiore la massa della nuova particella che li genera ed è quindi necessaria una grande quantità di dati per osservarli, per cui la luminosità fornita dal collisore è un fattore cruciale in questa ricerca. L’esperimento Belle II, in circa 10 anni di presa dati, accumulerà una luminosità integrata 50 volte maggiore (corrispondente alla produzione di 50 miliardi di coppie di mesoni B) rispetto ai suoi predecessori Belle e Babar. I dati raccolti fino ad ora hanno già permesso di porre un limite interessante nell’ambito della ricerca della materia oscura e sono stati pubblicati.

Per raggiungere l’alta luminosità necessaria, SuperKEKB adotta l’innovativo schema a nano-beam secondo il quale si fanno collidere fasci di elettroni e positroni organizzati in pacchetti lunghi ed estremamente sottili che si scontrano con un angolo d’incrocio relativamente grande. Questo record di luminosità è stato ottenuto integrando lo schema a nano-beam con il crab-waist, una tecnica quest’ultima che consente di contenere la distribuzione nello spazio delle fasi delle particelle nei fasci interagenti e di stabilizzare le collisioni.

È doveroso ricordare che lo schema a nano-beam ed il crab-waist sono stati concepiti e realizzati grazie ad un lavoro pioneristico del gruppo di fisica degli acceleratori dei Laboratori Nazionali di Frascati guidati dal fisico italiano Pantaleo Raimondi, anche nel contesto del progetto, poi non realizzato, dell’acceleratore SuperB.

 

Perugia, 26 giugno 2020

 

 

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Perugia