PARTICELLA ELEMENTARE
PARTICELLA ELEMENTARE.
– Il Modello Standard. Fisica dei neutrini. Ricerche di nuova fisica. Bibliografia. Sitografia
Il panorama di questo settore è completamente determinato dalla pressante ricerca di nuova fisica, intendendo con ciò una fisica che non sia già descritta dal Modello Standard (MS) delle p. e., almeno nella formulazione conosciuta attualmente. Il MS si è rivelato in grado di spiegare la fenomenologia delle p. e. osservata senza mostrare difficoltà interpretative e di calcolo. La recente scoperta del bosone di Higgs, con una massa di circa 125 GeV/c2 (fig. 1), compiuta nel luglio 2012 mediante le misurazioni effettua te negli urti protone-protone ad alta energia dai grandi rivelatori ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) dell’acceleratore LHC (LargeHadron Collider) del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), ha iniziato l’opera di chiarimento della parte teorica più discussa del MS, connessa con la rottura spontanea della simmetria di gauge e con il meccanismo di Higgs. Questa scoperta fondamentale ha portato, nel 2013, al conferimento del premio Nobel per la fisica ai fisici teorici Peter Higgs e François Englert, che, insieme a Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen e Tom Kibble, nel 1964 proposero il modello relativistico del meccanismo di rottura spontanea della simmetria di gauge, la cui idea era già apparsa su lavori precedenti di Yoichiro Nambu e Philip Warren Anderson.
A differenza degli altri campi fondamentali che fanno parte del MS, le cui proprietà sono imposte dai dati sperimentali riguardanti sia le interazioni elettromagnetiche deboli e forti sia le particelle soggette a queste interazioni, il bosone di Higgs viene introdotto nella teoria con un’invenzione teorica, detta meccanismo di Higgs, per permettere alle particelle di gauge e ai fermioni di avere la massa diversa da zero che si osserva sperimentalmente, senza violare direttamente la simmetria di gauge; i valori delle masse non sono però predetti dalla teoria e devono essere introdotti come parametri esterni, basandosi sulle misure sperimentali.
L’LHC del CERN, dopo la chiusura dell’acceleratore americano Tevatron, avvenuta nel settembre 2011, e il ridimensionamento in atto della politica scientifica americana della fisica dei grandi acceleratori, considerata troppo dispendiosa, che ha portato alla riduzione dei piani scientifici per RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), è l’acceleratore dal quale la comunità scientifica si attende, oltre allo studio della fisica legata al bosone di Higgs, anche e con sempre maggior insistenza, la verifica dell’esistenza o meno di particelle non previste nel MS, che possano segnalare la presenza di nuovi capitoli di fisica fondamentale e quindi suggerire la messa a punto di future ricerche mirate. L’attività scientifica dell’LHC è stata tuttavia sospesa nel 2013, per consentire la manutenzione programmata dell’acceleratore e dei rivelatori: la sua riaccensione è avvenuta nel marzo 2015 e già entro il 2017 è prevedibile che si comincerà a ottenere qualche risposta alle domande fondamentali della fisica, quando la quantità di dati raccolti avrà raggiunto la statistica adeguata.
Un aspetto importante delle attuali ricerche della fisica delle p. e. è la costante tendenza a includere in una visione unificata la fisica delle alte energie e quella delle particelle provenienti dallo spazio, detta fisica astro-particellare: è infatti sempre più evidente la correlazione di problematiche, dati e informazioni provenienti dai due settori.
Il Modello Standard. – Il MS è un complesso modello teorico costruito sulla base di concetti della teoria dei campi relativistica, opportunamente configurati per spiegare le caratteristiche della fisica delle particelle; la sua struttura contiene molti parametri, i cui valori sono ottenuti sperimentalmente, che la teoria non può spiegare. Il MS si trova in una curiosa situazione: permette la spiegazione del mondo fisico che riusciamo a percepire, ma nel contempo gli esperti sono convinti che abbia bisogno di modifiche fondamentali. L’indicazione di dove trovarle dovrà provenire da misure sperimentali che mettano in difficoltà la formulazione attuale della teoria.
Uno schema riassuntivo delle p. e. del MS è mostrato nella fig. 2. I campi bosonici (fotone, Z0, W±) e gli otto gluoni agiscono come mediatori delle interazioni fondamentali (la gravità è esclusa dal modello); il campo di Higgs provvede alla massa, mentre i fermioni, inquadrati in doppietti di leptoni e di quark e raggruppati in tre generazioni di massa crescente, le cui tipologie sono comunemente indicate in modo generico come sapori (flavours), sono i campi di materia. Il settore del MS riguardante il campo di Higgs, le sue autointerazioni e il suo potenziale rimane la parte meno nota della teoria; sarà necessario un accurato studio sperimentale diretto, mediante l’LHC, della fenomenologia del bosone di Higgs per poter ottenere una chiara visione delle proprietà dinamiche di questo campo fondamentale.
Un settore molto importante della fisica del MS è quello che riguarda il sapore (termine di pura fantasia introdotto senza particolare significato scientifico), ossia lo studio approfondito delle reazioni cui partecipano le particelle contenenti i quark pesanti strange, charm, beauty e top e quelle in cui il sapore delle particelle è modificato, finalizzato alla ricerca di comportamenti anomali connessi alla violazione di CP (conservazione della simmetria congiunta di coniugazione di carica e parità spaziale) e, in generale, alla ricerca di effetti quantistici che segnalino la presenza di interazioni con particelle fondamentali che non siano spiega te dal MS, come, per es., le particelle supersimmetriche. Presso l’LHC è presente un grande rivelatore opportunamente costruito per lo studio di questa fisica, detto LHCb.
Gli studi della fisica del sapore riguardano inoltre le misure di precisione degli elementi della matrice di CabibboKobayashi-Maskawa, i test di precisione del MS e gli studi di cromodinamica quantistica (QCD, Quantum ChromoDynamics) riguardanti la produzione di adroni leggeri e pesanti. Oltre alle misurazioni condotte all’LHC, questi studi si avvalgono dell’analisi, ancora in svolgimento, dei dati raccolti da esperimenti come BaBar, presso lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), negli Stati Uniti, e Belle, presso il KEKB, a Tsukuba (Giappone), e di esperimenti in svolgimento come BESIII (BEijing Spectrometer III), condotto da una collaborazione internazionale, con una grande componente di fisici americani, presso il collisore BEPCII (Beijing Electron-Positron ColliderII), a Pechino, in Cina.
La possibilità che ha tale collisore di regolare l’energia dei fasci in modo da favorire la produzione di particelle in studio, ha contribuito al riconoscimento del mesone carico Zc(3900), che presenta delle proprietà anomale. La sua struttura potrebbe essere spiegata da differenti modelli, potendosi, per es., trattare di uno stato contenente quattro quark, dettotetra-quark, tra cui i quark pesanti charm e anti-charm, oppure di uno stato di tipo molecolare formato da due mesoni. La particella Zc fa parte di una classe di particelle pesanti con charm, chiamate mesoni XYZ, che sono state identificate e la cui scoperta amplia il panorama delle interazioni forti.
La ricerca della violazione del sapore leptonico è un capitolo della ricerca di nuova fisica. Attualmente è attivo al Paul Scherrer Institute (PSI) di Zurigo l’esperimento MEG (Mu to E Gamma) per la ricerca di segnali di decadimento del mu+ in positrone fotone, un processo che, se fosse rivelato, mostrerebbe la violazione della conservazione del numero leptonico di sapore, che sarebbe un inequivocabile segnale della presenza di nuova fisica. L’esperimento si avvantaggia dell’intenso fascio di muoni (108 particelle al secondo, con un impulso di 28 MeV/c) del laboratorio e di un rivelatore stabile e ben calibrato. Calcoli basati sulla presenza di fisica oltre il MS portano a valori della velocità di decadimento rivelabili; le misure finora effettuate non hanno tuttavia trovato eventi di questo tipo.
Fisica dei neutrini. – I neutrini, a causa della loro debolissima interazione con la materia, sono, tra le particelle conosciute, quelle che hanno delle proprietà fisiche che più sfuggono allo studio sperimentale. Soltanto da pochi anni, con la conferma sperimentale delle oscillazioni di neutrino, si è potuto stabilire che hanno massa non nulla, anche se molto piccola: il fenomeno delle oscillazioni dipende infatti dalla differenza del quadrato delle masse dei neutrini che hanno oscillato e non potrebbe avvenire nel caso di masse nulle. Un’importante osservazione delle oscillazioni si è ottenuta tramite l’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus); contrariamente ai precedenti esperimenti basati sulla diminuzione del fascio dei neutrini, è un esperimento a comparsa, poiché rivela neutrini non presenti nel fascio iniziale, che nascono per via delle oscillazioni. Il grande rivelatore di OPERA, situato nei Laboratori nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), è stato progettato per la rilevazione e il riconoscimento dei neutrini tau generati dal fenomeno di oscillazioni delle un fascio di neutrini mu con un’energia media di circa 17 GeV, inviato dal CERN. Nei cinque anni di raccolta dati (dal 2008 al 2012),
l’esperimento ha registrato quattro candidati di neutrini tau in ottimo accordo con la teoria del fenomeno. Altre evidenze di oscillazioni con comparsa di neutrini di diverso sapore sono state annunciate dagli esperimenti Super-Kamiokande (un segnale di neutrino tau da neutrini atmosferici) e T2K (un segnale di neutrino elettrone da neutrini mu prodotti da acceleratori), entrambi situati in Giappone. A causa dell’esistenza di neutrini con massa non nulla, il MS, che è stato formulato originariamente per neutrini a massa nulla, andrebbe modificato con l’aggiunta di neutrini destrogiri sterili, così chiamati in quanto possono interagire con la materia solo mediante l’interazione gravitazionale.
I neutrini sono elettricamente neutri, con masse piccole, ma ancora non è noto se, dopo la rottura elettrodebole, siano da considerare fermioni di Dirac, come tutti gli altri fermioni presenti nel MS, o fermioni di Majorana. Nel primo caso il neutrino di un certo sapore è diverso dal suo antineutrino, in quanto distinguibile per il valore del numero leptonico, mentre un fermione di Majorana coincide con la propria antiparticella. Se i neutrini fossero particelle di Majorana violerebbero la conservazione del numero leptonico, fenomeno non osservato sperimentalmente. Questa problematica potrebbe essere risolta se si osservassero segnali di reazioni di decadimento di nuclei tramite il decadimento doppio beta senza neutrini, in cui un nucleo (A,Z) si trasforma in un altro nucleo (A,Z+2) emettendo solamente due elettroni. Questo decadimento può avvenire se i neutrini, che intervengono nella reazione come particelle virtuali, fossero fermioni di Majorana; inoltre la misura della vita media del decadimento potrebbe dare indicazioni sul valore della massa dei neutrini. Attualmente si cerca di individuare questo processo in molti esperimenti che studiano il decadimento di vari isotopi, che vanno dal 48Ca allo 136Xe, come GERDA (GERmanium Detector Array) e CUORE (Cryogenic Underground Observatory for RareEvents) sotto il Gran Sasso, NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory) nel tunnel del Frejus, KamLAND-Zen (che sfrutta il rivelatore dell’esperimento KamLAND, Kamioka Liquid scintillator ANtineutrino Detector) in una miniera in Giappone, originariamente costruito per lo studio delle oscillazioni di neutrino, per la ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini in un recipiente sferico contenente 137Xe posto all’interno del rivelatore.
Da un punto di vista storico, è interessante ricordare che, sulla base dell’esperimento OPERA, nel settembre del 2011 fu annunciata una misura, in seguito risultata errata, del valore della velocità di propagazione dei neutrini mu maggiore di quella della luce. Già nei primi mesi del 2012 l’esame a tappeto del grande apparato di rivelazione dimostrò la presenza di alcune imperfezioni, tra cui un cavo a fibra ottica di collegamento a un computer difettoso che poteva causare un errore nella misurazione del tempo di volo e quindi della velocità di propagazione osservata. L’esperimento non era stato progettato per effettuare la misurazione della velocità di propagazione dei neutrini, un parametro che non è richiesto per lo studio delle oscillazioni. La successiva misurazione della velocità di propagazione dei neutrini, effettuata nel marzo del 2012 anche con la partecipazione dagli altri rivelatori presenti ai LNGS, mostrò la concordanza del valore misurato con la velocità della luce (la piccola massa dei neutrini comporta una riduzione della loro velocità che è fuori dalla sensibilità della misura).
La ricerca di fenomeni non previsti dal MS è estesa a ogni possibilità: per es., la collaborazione LHCb nel 2014 ha studiato la possibilità di osservare eventi prodotti da ipotetici neutrini di alta massa di tipo di Majorana presenti come particelle virtuali nella reazione di decadimento del quark B : B− → π+μ− μ− (fig. 3), migliorando i limiti di esclusione conosciuti per questo processo.
Ricerche di nuova fisica. – Le attuali ricerche di nuova fisica sono interconnesse con le ricerche di fisica astroparticellare, che comprendono: la presenza di antimateria nell’Universo, l’esistenza di materia oscura, i raggi cosmici, il fondo di radiazione cosmica. Recentemente sono state inviate nello spazio missioni scientifiche progettate per lo studio di fenomeni astroparticellari: nel 2008 il satellite Fermi gamma-ray large area space telescope (GLAST), con a bor do un rivelatore progettato per lo studio dei raggi gamma; nel 2011 lo spettrometro AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), installato nella Stazione spaziale internazionale per lo studio della composizione dei raggi cosmici in prossimità della Terra, nella regione di energie del TeV.
La presenza di materia oscura (v. universo oscuro) è stata accertata indirettamente a causa dell’influenza che la sua gravità esercita sul moto della materia ordinaria presente nell’Universo visibile, con effetti, per es., sulla rotazione delle galassie: si pensa sia formata, almeno in parte, da particelle. È detta oscura per indicare che non è direttamente rivelabile dai nostri strumenti, a causa del fatto che non emette né assorbe radiazioni elettromagnetiche a livelli osservabili. Il suo contributo alla densità della materia dell’Universo è molto elevato, circa il 30% del totale. La natura della materia oscura è ancora in discussione: si studiano tra l’altro modelli basati su materia non barionica detti di materia oscura fredda, cui si dà il nome di WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), particelle pesanti che interagiscono debolmente e che forniscono la materia mancante.
Il problema sperimentale più rilevante da affrontare nella rivelazione delle WIMP è la necessità di distinguere, nei rivelatori terrestri, i loro segnali da quelli prodotti dalla radioattività ambientale. L’esperimento DAMA (DArk MAtter), situato in una galleria dei laboratori LNGS, che si comporta come uno schermo naturale per la radioattività, ha rivelato un segnale che potrebbe essere dovuto a WIMP di massa dell’ordine di 10 GeV/c2. L’esperimento ha osservato una modulazione annuale del segnale riconducibile all’intersezione della traiettoria della Terra con il flusso di WIMP dell’alone galattico. Si suppone, infatti, che tali particelle formino un alone che circonda la nostra galassia e che il nostro Sistema solare, che si muove a una velocità di circa 230 km/s rispetto al sistema galattico, sia continuamente investito dal vento delle WIMP. I risultati di questo esperi-mento sono ancora in discussione, in quanto altri esperi-menti condotti con tecniche sperimentali e rivelatori di diverso tipo non confermano i risultati.
Alcune particelle supersimmetriche, le più leggere e stabili, potrebbero essere buoni candidati di WIMP per la materia oscura, come, per es., il neutralino, che è il partner supersimmetrico corrispondente a una combinazione dei partner dello Z, del fotone e dell’Higgs, oppure il gravitino, che è partner del gravitone. La supersimmetria è la teoria che molti fisici da anni si aspettano di trovare realizzata in natura e che dovrebbe manifestarsi alle energie in gioco all’LHC. Questa teoria affianca alle particelle esistenti particelle supersimmetriche, dette partner supersimmetriche. La supersimmetria, quindi, potrebbe associarsi con il MS in modo tale, tra l’altro, da stabilizzare le fluttuazioni quantistiche da cui questo è affetto.
Sono attivi o in fase di avanzata progettazione grandi esperimenti per osservare particelle provenienti dallo spazio basati su rivelatori immersi in acqua o nel ghiaccio, in modo da osservare i segnali provenienti da volumi molto grandi di materia, alla ricerca di segnali luminosi prodotti per effetto Čerenkov dal passaggio delle particelle. L’esperimento IceCube (osservatorio di neutrini al Polo Sud), specializzato nella ricerca delle sorgenti astrofisiche di neutrini e nella ricerca di segnali di materia oscura, entrato in funzione alla fine del 2010, è un rivelatore di particelle con un volume attivo di ricerca di circa 1 km3, che si estende per una profondità di circa 2500 m sotto il ghiaccio. L’infrastruttura europea KM3NeT (KM3 Neutrino Telescope) sarà situata sul fondo del mar Mediterraneo con un volume di ricerca di più di 5 km3 distribuito in tre punti: Toulon in Francia, Capo Passero in Sicilia e Pylos in Grecia. KM3NeT sfrutterà l’esperienza acquisita dai tre progetti pilota ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), NEMO e NESTOR (Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research); in tutti questi esperimenti collaborano fisici di università italiane e dell’INFN.
Una particella bosonica che potrebbe avere un importante ruolo nel contributo alla materia oscura dell’Universo è l’assione (axion). Questa particella avrebbe massa molto piccola, compresa tra 10−6 e 10−2 eV/c2, carica elettrica nulla, sezione d’urto con la materia molto piccola e spin zero, ed è stata introdotta nella teoria allo scopo di spiegare la conservazione della simmetria discreta CP della QCD. Infatti, nelle reazioni che avvengono per interazione forte e che sono quindi descritte nel MS dalla QCD, non si osserva alcuna violazione apprezzabile di CP. Un esempio importante di questo fenomeno è la non osservazione di un valore diverso da zero del momento di dipolo elettrico del neutrone.
La ricerca degli assioni è molto difficile, a causa della bassa probabilità di reazione. Al CERN il rivelatore dell’esperimento CAST (CERN Axion Solar Telescope) segue da qualche anno il movimento del Sole, con lo scopo di rivelare gli assioni che dovrebbero essere prodotti in gran numero nella nostra stella per interazione elettromagnetica tra elettroni e fotoni. L’esperimento ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), dal quale si attendono risultati probabilmente entro il 2015, studia la presenza di assioni nell’alone galattico: impiega una cavità a radiofrequenza con bassissime perdite energetiche raffreddata con elio liquido, regolabile in frequenza, inclusa in un grande magnete superconduttore con un campo di 8 T. Gli assioni interagiscono con il campo magnetico producendo fotoni in risonanza con la frequenza della cavità; un rivelatore basato su un’avanzata tecnologia, comprendente uno SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) appositamente progettato, segnalerebbe la presenza di questi fotoni non appena i segnali fossero superiori al rumore quantistico.
Bibliografia: S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio, Particelle e interazioni fondamentali, Milano 2012; F. Close, Neutrino, Milano 2012.
Sitografia: Per la fisica del sapore, dei quark pesanti e della ricerca dei segnali di violazione di CP, Flavour physics onference, http://vietnam.in2p3.fr/2014/flavour/Flavour14Agenda.html; per approfondimenti sulla fisica degli assioni e della materia oscura,10th Patras workshop on axion, wimps Wisps at CERN status of ADMX, 30 giugno 2014, http://indico.cern.ch/event/300768/other-view?view=standard; per aggiornamenti in merito alle proprietà delle particelle elementari, The review of particle physics, http://pdg.lbl.gov. Tutte le pagine web si intendono visitate per l’ultima volta il 21 luglio 2015.