Odderone, quasi-particelle e verifica peer-to-peer

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Qualche giorno fa è stata pubblicata su un blog scientifico la notizia che “sarebbe stata trovata” una “quasi-particella”, l’”Odderone”. Incuriosito da tutta questa prudenza sono andato ad approfondire la materia con un mio amico che lavora al CERN e questo è il frutto della nostra chiacchierata. Ho approfittato della gentilezza di Fabio Iemmi per chiarire cosa significa verificare scientificamente una notizia.

Parlaci di te e di cosa fai al CERN.
Mi chiamo Fabio Iemmi, sono studente di dottorato presso l’Università di Bologna con borsa di studio dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Collaboro con il CERN di Ginevra nell’ambito dell’esperimento CMS, uno degli esperimenti che vengono condotti presso la macchina acceleratrice LHC (Large Hadron Collider).

Ci sono svariati esperimenti in corso al CERN: raccontaci quello in cui tu sei direttamente impegnato.
Presso l’acceleratore di particelle LHC vengono condotti quattro grandi esperimenti: da una parte ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid), i due esperimenti cosiddetti general purpose (di carattere generale) il cui scopo principale è la scoperta di nuovi fenomeni fisici nell’ambito della fisica delle particelle; dall’altra ALICE (A Large Ion Collider Experiment), esperimento che indaga la natura di uno stato esotico della materia, il quark-gluon plasma, e LHCb, esperimento che esegue misure di precisone sul Modello Standard delle interazioni fondamentali.
L’esperimento CMS è, sostanzialmente, un enorme detector (rivelatore) di particelle. LHC accelera protoni fino a velocità prossime a quella della luce, dopodiché li fa schiantare gli uni contro gli altri in corrispondenza degli esperimenti. Poiché, secondo la famosa relazione di Einstein, valeE=mc², l’enorme energia cinetica che i protoni hanno acquisito in fase di accelerazione può essere convertita in massa (vale a dire, in materia) dopo l’urto: ecco che dagli scontri fra protoni si genera una grande quantità di particelle che vengono rivelate dai detector. Per chi fosse interessato ad una descrizione abbastanza dettagliata dell’esperimento consiglio una visita al sito di CMS:
http://cms.web.cern.ch/news/what-cms

foto dell'acceleratore LHC al CERN di Ginegra
LHC tunnel foto Maximilien Brice CERN

La notizia che è trapelata su Odderon ha ancora bisogno di una conferma peer-to-peer: ci spieghi cosa significa e come questo metodo assicura tutti sulla bontà di quanto viene pubblicato?
La verifica peer-to-peer, anche nota come peer review (revisione paritaria, revisione tra pari) è uno degli strumenti fondamentali di cui la scienza si serve per validare i propri risultati. Quando un articolo viene reso pubblico, questo viene sottoposto all’analisi attenta di un gruppo di esperti nel particolare settore scientifico trattato. Questi esperti, come si suol dire, “fanno le pulci” al lavoro degli autori: ad esempio, hanno la facoltà di chiedere loro spiegazioni e chiarimenti, se qualche passaggio dell’articolo dovesse risultare oscuro o poco soddisfacente. Si instaura così un dialogo scientifico fra autori e revisori, che si può concludere con la ratifica o meno dell’articolo. Nessun articolo scientifico che non sia stato sottoposto a peer review dovrebbe essere considerato affidabile. Questa è una regola d’oro che non andrebbe mai dimenticata. Vale la pena sottolineare che la revisione viene effettuata da individui altamente specializzati nel particolare campo di ricerca di cui si tratta nell’articolo: un lavoro non per tutti, dunque, che richiedere un grado di competenza molto elevato. È in questo senso che si colloca la frase che ultimamente si sente spesso ripetere, vale a dire che la scienza “non è democratica“: in effetti, quando si parla di scienza, cioè di una disciplina che si avvale di un ben codificato metodo di indagine e mira ad ottenere risultati quantitativi (quindi, per intenderci, numeri, formule, quantità ben determinate), le opinioni non sono tutte equivalenti, non hanno tutte lo stesso peso. La validazione di un risultato scientifico può essere condotta solamente da chi abbia dimostrato un livello adeguato di comprensione del problema che si sta trattando, deve essere un processo svolto tra pari, appunto. Siamo dunque al di fuori del campo dell’etica e della morale, dove la libertà d’opinione di ciascuno è sacrosanta e inviolabile.

L’Odderone è una quasi-particella dispari: ci aiuti a capire cosa significa?
La domanda è molto tecnica, proverò a rispondere, per quanto mi è possibile. Per collegarmi alla domanda precedente, devo per prima cosa sottolineare che il campo di ricerca particolare in cui l’Odderone è stato presumibilmente scoperto è diverso da quello di cui mi occupo personalmente. Dunque, come vedete, pur essendo un fisico delle particelle, sarei la persona meno adatta del mondo per fare peer review su questo articolo! Ma torniamo alla questione principale. La scoperta è stata effettuata studiando collisioni elastiche fra protoni. Le collisioni elastiche sono quelle particolari collisioni in cui i due protoni iniziali, nell’urto, non vengono rotti nei loro costituenti fondamentali ma rimangono protoni intatti anche nello stato finale. Per capire in cosa consiste la (presunta) scoperta è necessario introdurre anche qualche concetto base del Modello Standard. Le interazioni (o, in modo un po’ semplicistico, le forze) fondamentali della natura sono quattro: interazione elettromagnetica, interazione nucleare forte, interazione nucleare debole e interazione gravitazionale. Il Modello Standard delle interazioni fondamentali è la teoria che descrive il comportamento e l’interazione delle particelle elementari (se si esclude l’interazione gravitazionale, che non si è ancora riusciti a trattare in modo soddisfacente). Nell’ambito di questa teoria, le particelle si possono dividere in due grandi gruppi: da una parte i fermioni, le particelle “di materia” che interagiscono fra loro, e dall’altra i bosoni, particelle mediatrici delle forze che permettono ai fermioni di interagire. Nel Modello Standard, quindi, ogni interazione è interpretata come uno scambio di bosoni mediatori. I bosoni mediatori dell’interazione forte, quella che qui ci interessa, sono i cosiddetti gluoni. Ora, i protoni possono interagire in modo forte, scambiando quindi fra loro gluoni. Quel che si è misurato all’esperimento TOTEM è un comportamento anomalo nell’interazione fra protoni. Questa anomalia è prevista da alcuni modelli teorici, che la interpretano come lo scambio di uno stato legato di un numero dispari di gluoni, tre, in particolare. Sebbene non si conoscano stati legati di bosoni elementari, il fenomeno osservato può essere descritto in modo consistente ipotizzando lo stato legato di tre gluoni: ecco perché l’Odderone viene detto una quasi-particella.

Tu sei impegnato su CMS, uno dei due rivelatori che nel 2012 hanno contribuito a rivelare la Particella di Dio, cioè il Bosone di Higgs, per rivelare la quale c’è stato bisogno di arrivare ad una grossa quantità di energia: che energia è stata usata per rivelare l’Odderone, e perché bisogna arrivare ad energie così elevate?
La (presunta) scoperta dell’Odderone è stata effettuata analizzando collisioni fra protoni con un’energia, nel sistema di riferimento del centro di massa, di 13 TeV (tera elettronvolt). L’elettronvolt è una unità di misura dell’energia molto usata nella fisica delle particelle, e corrisponde all’energia cinetica acquisita da un elettrone che venga accelerato da una differenza di potenziale di 1 V. L’energia a cui avvengono le collisioni è un fattore fondamentale nella fisica delle particelle. Poiché, come abbiamo già sottolineato, esiste una relazione che lega massa ed energia, avere molta energia a disposizione significa poter produrre molta massa. In particolare, una macchina acceleratrice poco performante potrebbe non raggiungere le energie necessarie per poter creare le particelle più massive. Dal momento che le teorie di nuova fisica che LHC intende indagare prevedono l’esistenza di particelle più massive di quelle attualmente conosciute, avere un acceleratore capace di fornire un’alta energia nel centro di massa è di vitale importanza. Tuttavia questo primo argomento, tutto sommato abbastanza semplice, non è l’unico fattore in gioco quando si va alla ricerca di particelle elementari. La domanda fondamentale che dobbiamo porci è: ammesso di avere l’energia necessaria per creare la particella a cui diamo la caccia, quanto è probabile che questa creazione effettivamente avvenga? Nel gergo dei fisici delle particelle, ci si chiede: quanto vale la sezione d’urto per la creazione di questa determinata particella? La sezione d’urto

σ

è una grandezza che quantifica la probabilità che un evento si verifichi: eventi con piccola sezione d’urto sono eventi rari. Le teorie che descrivono le particelle e le loro interazioni sono in grado di calcolare queste sezioni d’urto: che fare, dunque, se risultano basse o molto basse? Il rischio più concreto è quello di non riuscire a ottenere informazioni su questi eventi perché troppo rari, e dunque non trattabili in modo efficace dal punto di vista statistico. L’unico rimedio è quello di costruire macchine acceleratrici sempre più efficienti in termini della grandezza fondamentale chiamata Luminosità istantanea.

La luminosità istantanea dipende esclusivamente dalle caratteristiche ingegneristiche della macchina acceleratrice e quantifica il numero di eventi che la nostra macchina può produrre. In effetti, negli esperimenti agli acceleratori il numero di eventi attesi ogni secondo per un certo tipo di eventi (per esempio, la creazione di un certo tipo di particella) è direttamente proporzionale alla sezione d’urto e alla luminosità:

Siccome la sezione d’urto è decisa dalla natura e non abbiamo quindi possibilità di agire sul suo valore, quel che rimane da fare, per ottenere un alto numero di eventi al secondo, è quello di aumentare quanto più possibile la luminosità istantanea. Il problema della luminosità non è da sottovalutare. Prendiamo ad esempio il caso della scoperta del bosone di Higgs: delle indicazioni della sua esistenza, prima dell’avvento di LHC, erano già state trovate all’acceleratore Tevatron del FermiLab di Chicago. Purtroppo, però, Tevatron non aveva la luminosità sufficiente per produrre un numero adeguato di bosoni di Higgs che permettesse di effettuare una misura decisiva sull’esistenza o meno della particella. Soltanto ad LHC, che è capace di fornire una luminosità ben superiore a quella di Tevatron, siamo stati in grado di raccogliere un numero sufficiente di eventi per stabilire con assoluta certezza che il bosone di Higgs esiste realmente. La cosa notevole è che Tevatron era in grado di produrre l’Higgs (aveva quindi l’energia sufficiente), ma non era abbastanza performante per scoprirlo.

Ancora una volta il CERN ha dimostrato, se ce ne fosse ancora bisogno, che la ricerca europea è un’eccellenza mondiale. Visto che ti sei laureato da pochi anni e che sei impegnato in questi progetti di ricerca, ci puoi aiutare a dire ai giovani studenti italiani che è ancora importante la ricerca di base, e che studiare materie scientifiche serve ancora moltissimo?
La ricerca di base è fondamentale, anche se spesso l’opinione pubblica sembra essere troppo miope per accorgersene. È vero, se qualcuno dovesse chiedermi: «A cosa serve, concretamente, la scoperta del bosone di Higgs?» sarei costretto a rispondergli: «A nulla». Con questo intendo dire che con il bosone in sé, verosimilmente, non combineremo mai niente di utile in tempi brevi. Ma è un dato di fatto che la ricerca di base produce sforzi intellettuali, ingegneristici, informatici ecc. che trovano poi applicazioni nei campi più disparati della vita di tutti i giorni. Basti pensare che Tim Berners-Lee, l’inventore del World Wide Web, ha sviluppato la sua idea al CERN: agli scienziati serviva un modo rapido di scambiare informazioni fra loro. Chi si trovasse a vagare per gli edifici del CERN potrebbe imbattersi nel suo ufficio: davanti troverebbe una targa commemorativa che celebra la nascita del www. Ancora, nel 1976, per gestire le interfacce di un acceleratore chiamato SPS (Super Proton Synchrotron), venne inventato al CERN il primo touch screen. Ho citato alcuni casi che riguardano il mio mondo, chissà quanti altri potrebbero farne i colleghi che lavorano in altri ambiti.
Le applicazioni pratiche indirette, quindi non mancano. A prescindere da queste, comunque, rimane il fatto che la ricerca di base accresce la conoscenza del genere umano riguardo alla natura, tenta di rispondere ad alcune fra le più grandi e profonde domande che l’uomo si sia mai posto. Il compito di aggiungere qualche tassello in più al grande, seppur incompleto, mosaico della conoscenza umana dovrebbe essere motivo di orgoglio per chi, come me, fa già parte di questo mondo, e motivo di interesse e attenzione per chi, come i giovani studenti italiani, dovranno decidere che senso dare al proprio futuro.
Enrico Cirillo

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