SCIENZAinDIRETTA/ Le Ricerche al CERN di Ginevra

Una visita al CERN di Ginevra si conclude in un incontro/intervista con Marco Cirelli, membro della Divisione Teorica del centro stesso. Le domande vertono su ricerche di grande rilevanza scientifica (bosone di Higgs, materia oscura, teoria della supersimmetria) che si svolgono al CERN, affidate a gruppi di ricercatori di diverse nazionalità. Nelle risposte, rigorose sul piano dell’informazione, si legge in controluce una lezione di metodo, in un momento in cui spesso i risultati anche provvisori della ricerca scientifica vengono assolutizzati e travolti dalla bufera mediatica. Togliendo al lavoro di ricerca il carattere di costruzione paziente, sempre aperta alla verifica nell’impatto con il dato sperimentale, così esplicito invece nelle risposte dello scienziato.

L’intervista è stata rilasciata il 26 Settembre presso il Cern di Ginevra in occasione di una visita premio da parte di un gruppo di studenti e di Dottorandi di Bergamo, per la vincita di un concorso bandito dal CQIA (Centro per la qualità dell’insegnamento e dell’apprendimento presso l’Università di Bergamo) nell’ambito del progetto finanziato dal MIUR: «Scienziati, tecnici e inventori lombardi».

Può parlarci della teoria della supersimmetria che alcuni fisici teorici cominciano a mettere in discussione, dopo gli ultimi risultati sperimentali ottenuti al CERN?

In effetti non si sono ancora trovate evidenze sperimentali delle particelle supersimmetriche, nonostante al CERN si siano ampiamente raggiunte le energie che ritenevamo necessarie per produrle. Alcuni ricercatori, in particolare quelli che ci hanno lavorato per trent’anni, non vogliono abbandonare la teoria e sostengono che occorra cambiare solo alcuni parametri, altri sostengono che è errata in quanto le particelle supersimmetriche più facili da trovare, come i gluini (partner dei gluoni) e gli squark (partner dei quark) che si prevedeva di trovare a energie dell’ordine di 100 – 200 GeV non sono state ancora individuate anche spingendosi fino all’energia di 1 TeV⁽¹⁾.  La cosa è certamente un po’ sorprendente.

Quali sono i «vantaggi» della teoria supersimmetrica?

Il grande pregio della teoria supersimmetrica è di spiegare il fatto che la massa del bosone di Higgs⁽²⁾ sarebbe non troppo alta, dell’ordine di 120-130 GeV. Infatti le correzioni enormi a questa massa vengono cancellate dalle particelle supersimmetriche che, in questo senso, permettono di rendere «naturale», cioè non «innaturalmente alta» la massa del bosone di Higgs. Questa cancellazione, però, risulta efficace fino a che le particelle supersimmetriche non sono troppo pesanti, cioè quando le energie utilizzate non sono troppo elevate. Per ora non possiamo ancora dire niente riguardo a chi ha ragione tra i sostenitori dell’una o dell’altra teoria. Siamo in mezzo al guado.

Quali sono in breve i nessi che intercorrono tra la teoria delle stringhe e la teoria della supersimmetria?

La teoria delle stringhe include la teoria della supersimmetria, ma quest’ultima può fare a meno della teoria delle stringhe. Nella teoria delle stringhe la supersimmetria serve per spiegare perché certe particelle non possono viaggiare a una velocità più elevata di quella della luce. Ma, più in generale, la supersimmetria in un certo senso «metterebbe a posto» tante cose: darebbe la possibilità di unificare le quattro forze fondamentali⁽³⁾, permetterebbe per esempio di mettere in accordo la misura sperimentale e il valore teorico del momento magnetico del muone, il «fratello maggiore» (210 volte più pesante) dell’elettrone.

Lei studia la materia oscura. In cosa consiste la sua ricerca e che relazioni ha con la teoria della supersimmetria?

Le particelle supersimmetriche previste dalla teoria, potrebbero essere dei buoni candidati per la materia oscura, di cui non conosciamo ancora la natura e che costituisce l’80% della materia esistente nell’universo.
Per essere un buon candidato a costituire la materia oscura, una particella deve essere stabile (cioè non decadere), essere elettricamente neutra ed essere sufficientemente pesante. Nella teoria della supersimmetria, particelle con queste caratteristiche esistono e sono chiamate neutralini: oggetti complessi, ognuno costituito dall’insieme di partner supersimmetrici di due bosoni di Higgs, del bosone Z e del fotone.
Esperimenti che potrebbero fornire indicazioni in questa direzione sono di due tipi.
Il primo tipo utilizza rivelatori mediante cui si intende osservare eventi di rinculo nucleare prodotti dalle collisioni di particelle di materia oscura dell’alone galattico, in condizioni di silenzio cosmico⁽⁴⁾. Tre sono gli esperimenti attualmente in corso e sembrano aver raggiunto qualche risultato:
il progetto DAMA (DArk MAtter) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN⁽⁵⁾ [Immagine sopra a sinistra ⁽⁶⁾]; il Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT) nella miniera di Soudan in Minnesota [Immagine a destra ⁽⁷⁾].
Infine il più recente esperimento è CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Super Conducting Thermometers), una collaborazione principalmente tedesca, sempre al Gran Sasso, che utilizza nuovi sofisticati metodi di rilevazione che agiscono a bassissime temperature [Immagine a sinistra ⁽⁸⁾].
I primi risultati del mese di settembre 2011 confermerebbero le rilevazioni ottenute mediante gli altri due esperimenti di particelle con massa tra i 5 e i 10 GeV⁽⁹⁾ debolmente interagenti con i nuclei. A oggi non siamo ancora sicuri che questi risultati siano dovuti a un effetto di background.

La seconda tipologia di esperimenti si avvale, invece, di metodi di indagine indiretti, mediante l’osservazione di quantità «sospette» di antimateria o di altri prodotti delle annichilazioni di particelle di materia oscura nella galassia.
Tre sono i satelliti attualmente in orbita con l’obiettivo di indagare la natura della materia oscura: il satellite PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light – nuclei Astrophysics), [Immagine a destra ⁽¹⁰⁾] lanciato nel 2006 da italiani, tedeschi, svedesi e russi, ha intercettato una quantità anomala di positroni (l’antiparticella dell’elettrone che ha carica positiva); il satellite Fermi della NASA con collaborazione italiana, potrebbe aver rilevato una produzione anomala di raggi gamma [Immagine a sinistra ⁽¹¹⁾].
Infine AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) è il più recente esperimento lanciato in maggio 2011 e installato sulla Stazione Spaziale Internazionale ISS [Immagine a destra ⁽¹²⁾], dove rimarrà almeno tre anni; è un rivelatore internazionale molto costoso con collaborazione italiana, francese, tedesca, americana e di altri paesi e ha l’obiettivo di verificare quanto osservato dagli altri satelliti e, si spera, scoprire molto di più⁽¹³⁾.

Per quanto riguarda la possibilità di trovare il bosone di Higgs, quali sono le sue previsioni? Si troverà?

Le mie previsioni o scommesse sono che il bosone di Higgs lo troveremo, tempo qualche mese al massimo, nella regione di bassa massa perché abbiamo molte indicazioni indirette in questo senso.

A cura di Nadia Correale
(Docente di Matematica e Scienze nella Scuola secondaria di primo grado, frequenta il secondo anno del dottorato in Formazione della Persona e Mercato del Lavoro presso l’Università degli Studi di Bergamo)
 

NOTE

1. Il TeV è un multiplo dell’elettronvolt ed equivale a 1.000 miliardi di eV: 1TeV = 10¹²eV = 1,6022 x 10^-7J.
2. I bosoni sono le particelle intermediarie della forza elettromagnetica, nel caso del fotone, o debole, nel caso delle particelle W e Z. Ci si aspetta che il bosone di Higgs venga prodotto dalle collisioni ad alte energie nell’acceleratore LHC (27 km di diametro, 500 milioni di collisioni al secondo, energia fino a 7 TeV). Il bosone di Higgs è cruciale nella teoria detta Modello Standard, in base alla quale sono state classificate tutte le particelle finora conosciute. Anche nella teoria Supersimmetrica il bosone di Higgs è previsto (ne esiste anche più di uno), anche se ha proprietà leggermente diverse da quelle specificate nel Modello Standard.
3. Attualmente una teoria unificata che include la forza elettromagnetica e la nucleare debole. Si riscontra qualche problema con la forza nucleare forte, molti problemi con quella gravitazionale.
4. In condizioni particolari, grazie alla protezione delle rocce a centinaia di metri di profondità sotto terra, è possibile ridurre di un milione di volte il flusso di raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre. Nel caso del Gran Sasso la natura dolomitica della roccia – che contiene un bassa quantità di Uranio e Torio – riduce inoltre di un milione di volte anche la radioattività naturale dell’ambiente circostante.
5. Il progetto DAMA è un osservatorio per processi rari grazie allo sviluppo e utilizzo di rivelatori a scintillazione di elevata radiopurezza e grande massa. Questo esperimento è dedicato principalmente all’investigazione di particelle di materia oscura nell’alone galattico e alla ricerca di vari altri processi rari (modi di decadimento doppio-beta in molti isotopi, possibili processi di non conservazione della carica, possibili processi che violino il principio di esclusione di Pauli, stabilità dei nucleoni, ricerca di assioni solari e particelle esotiche, eccetera).
6. I rilevatori del progetto DAMA (circa 100 kg) vengono estratti dalla camera di rame in cui sono collocati (fonte: INFN)
7. La miniera di Soudan, sede dell’esperimento CoGeNT per lo studio della materia oscura (fonte: ShakataGaNa/CC BY-SA 3.0)
8. Uno dei moduli rilevatori dell’esperimento CRESST; quando viene illuminato con luce UV, lo scudo interno inizia a brillare (fonte: CRESST)
9. Il nome assegnato a queste particelle è WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).
10. Dal cosmodromo di Baikonur è stata lanciata la navetta russa che ha portato nello spazio il satellite PAMELA (foto Mark Pearce)
11. Disegno che riproduce il satellite Fermi (fonte: NASA)
12. Lo Shuttle con a bordo AMS-02 ripreso dalla Stazione Spaziale Internazionale (fonte: NASA)
13. AMS-02 potrebbe inoltre per la prima volta identificare nuclei dell’anti-elio (anti-alfa) provenienti dallo spazio.

© Pubblicato sul n° 43 di Emmeciquadro