Fonte: LSWNDipartimento di Fisica della Materia e Ingegneria Elettronica, Università di Messina, I-98166 Messina, Italy.
Dinanzi a domande ancestrali, al senso stesso delle cose, la mente dell’uomo può diventare preda di smarrimento e inquietudine. Tuttavia la ricerca scientifica, con le sue verità validate dall’esperienza e attraverso il proprio metodo, può contribuire a diminuire tale senso di incertezza.Una delle questioni più delicate, uno dei misteri che maggiormente affascinano l’uomo è la ragione stessa della materialità delle cose, del loro essere oggetti dotati di massa. Generazioni di scienziati stanno cercando di dare risposta a tale questione ipotizzando modelli e concependo esperimenti.
Lo scorso 22 luglio 2011, scienziati del CERN (European Organization for Nuclear Research) hanno presentato alla “International Europhysics Conference on High Energy Physics” (conferenza sulle alte energie organizzata dalla Società Europea di Fisica), alcuni risultati ("Measurements of Particle Production in pp-Collisions in the Forward Region at the LHC / Ruf, Thomas (CERN)" http://cdsweb.cern.ch/record/1370101/files/LHCb-TALK-2011-146.pdf) di notevole interesse che potrebbero indicare la presenza di almeno una nuova particella elementare.
All’interno dell’LHC (Large Hadron Collider), gigantesco collisore circolare di particelle dal diametro di circa 27 km, vengono fatti collidere frontalmente fasci di particelle che ruotano in senso opposto. Tali collisioni avvengono ciascuna ad energie (nel caso dei protoni) migliaia di miliardi di volte superiori rispetto all’energia di una singola particella di luce visibile. Prezioso frutto di tali scontri sono miriadi di altre particelle delle quali vengono analizzate e studiate la carica, la massa e molte altre importanti caratteristiche fisiche. Fra gli scopi principali quello di elaborare importantissime informazioni in base alle quali cercare di comprendere le interazioni fondamentali della natura e il ruolo giocato dalle particelle coivolte.
Certamente, uno dei principali obiettivi di un tale enorme sforzo non solo tecnologico ma concettuale, computazionale e, soprattutto, energetico è la comprensione del meccanismo fisico di produzione della massa. Negli anni '60 il prof. Peter Ware Higgs propose una teoria che potrebbe consentire di spiegare per quale motivo le particelle hanno massa. Proprio alla ricerca della particella di Higgs, del bosone anche conosciuto come “particella di Dio”(1), è rivolta la massima attenzione della comunità dei fisici.
In tale contesto, l’annuncio dello scorso 22 luglio, sembra aver mandato in fibrillazione i fisici: un eccesso di 2.8 sigma nella regione di massa dei 140-145 GeV e un eccesso di circa 2 sigma verso i 250 GeV.
Il linguaggio dei fisici, monoreferenziale e privo di sfumature linguistiche per i non addetti ai lavori, può risultare molto difficile e incomprensibile: un eccesso non è nient’altro che uno scostamento (in positivo) da quanto ci si sarebbe potuto aspettare di rivelare sperimentalmente partendo dalle sole conoscenze teoriche certe in quel momento.
Un eccesso diventa significativo quando supera i 3 sigma: fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale mentre al di sopra dei 5 sigma si parla di scoperta. Per dare un’idea, 3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa (evento improbabile). Il valore 5 sigma equivale invece a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato (evento altamente improbabile).
Si tratta di una mera questione di probabilità: se un evento si ripete sempre allo stesso modo un numero molto elevato di volte allora lo si da per confermato.
Riuscire ad avere un eccesso di 5 sigma significa, quindi, ottenere lo stesso evento un numero tanto elevato di volte tali da dare la ragionevole sicurezza che, a parità di condizioni sperimentali, le medesime leggi fisiche saranno rispettate anche nel futuro.
(1) il bosone di Higgs è anche detto particella di Dio per la capacità che avrebbe di giustificare la massa delle altre particelle attraverso la sua stessa esistenza.
Evidenza e scoperta
Si parla di scoperta oltre il livello 5 sigma.
Fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale.
3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa – tale occorrenza è improbabile.
5 sigma equivale, invece, a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato – tale occorrenza è altamente improbabile
Perché la comunità scientifica chiami “scoperta” un risultato innovativo è necessario che l’entità dei dati raccolti sia sufficientemente elevata da consentire di raggiungere un chiaro livello 5 sigma. Solo allora sarà ragionevole credere che volendo condurre il medesimo esperimento sotto le medesime condizioni sperimentali questo segua le leggi scoperte.
I risultati presentati dal CERN, in maniera particolare quello nella regione dei 140-145 GeV, fanno immaginare che presto potrebbero esserci sviluppi estremamente interessanti. Il risultato a 140-145 GeV esce rafforzato dal confronto con uno studio condotto da scienziati della collaborazione CDF del Fermilab (Collider Detector Fermilab at Tevatron): il livello di tale studio presenta un eccesso superiore e pari a 3.2 sigma. A illustrare tale risultato, Viviana Cavaliere, giovane fisica italiana.
Mentre il pensiero dell’intera comunità dei fisici sembra quasi naturalmente rivolgersi alla sfuggente particella, al tanto agognato bosone di Higgs, leggendo l’articolo dei 3.2 sigma del Fermilab ci si rende conto che se di particella si tratta potrebbe trattarsi di tutt’altra particella, ma non del bosone di Higgs.
Tale contesto si complica ulteriormente a causa di un risultato ottenuto dall’esperimento D0 condotto da scienziati del Fermilab: nessun eccesso da registrare! La situazione, evidentemente, non è ancora assolutamente chiara. Gli scienziati sono divisi tra chi sospetta ci sia di mezzo il bosone di Higgs, tra chi intravede una nuova particella elementare (segno forse di una nuova interazione della natura) e tra chi, invece, non vede alcun segnale, l’unica certezza è che nulla allo stato attuale degli esperimenti è certo!
A rendere la situazione ancora più interessante e intricata è un ulteriore articolo pubblicato dai ricercatori di CDF: il livello di significatività passa da 3.2 sigma a ben 4.1 sigma. Per riassumere, la soglia della scoperta sperimentale è più vicina ma l’esperimento concorrente del Fermilab non vede nulla e il CERN inizia a farci sperare. Che intrigo!
Data l’incertezza, forse conviene seraficamente allinearsi alla dichiarazione equilibrata resa da Sergio Bertolucci, CERN's Director for Research and Scientific Computing: “Discovery or exclusion of the Higgs particle, as predicted by the Standard Model, is getting ever closer,” (http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR09.11E.html) ovvero “la scoperta o l’esclusione della particella di Higgs, per come predetta dal modello standard, è sempre più vicina”.
I computer continuano a elaborare l'incessante flusso di dati che giungono dagli esperimenti. Forse il prof. Higgs avrà ragione o forse no. Di certo la fisica ne uscirà vincitrice mentre si cerca di far chiarezza riguardo alle varie ipotesi in gioco:
conferma sperimentale dell'esistenza del bosone di Higgs;
necessità di scovare un nuovo modello teorico che spieghi la generazione della massa;
conferma dell'esistenza sperimentale di una o più particelle elementari diverse da quella di Higgs (magari legate all’esistenza di una nuova interazione fondamentale);
comprensione e reinterpretazione degli eccessi rivelati qualora ci si accorga che, in realtà, non vi sia alcun nuovo risultato degno di nota.
Non resta che aspettare mentre stiamo probabilmente assistendo alla stesura di alcune delle pagine più entusiasmanti della conoscenza umana!
Riferimenti
International Europhysics Conference on High Energy Physics http://eps-hep2011.eu/
Peter Ware Higgs - Da Wikipedia, l'enciclopedia liberahttp://it.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs
CDF, livello 4.1 sigma“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in p p bar Collisions at √s = 1.96 TeV”, A. Annovi, P. Catastini, V. Cavaliere, L.Ristori, http://www-cdf.fnal.gov/physics/ewk/2011/wjj/7_3.html;
CDF, livello 3.2 sigma“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in p p bar Collisions at √s =1.96TeV”, CDF collaboration, Phys. Rev. Lett. 106, 171801 (2011) http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i17/e171801;
“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s)=1.96TeV”, CDF collaboration, submitted 04 April 2011, http://arxiv.org/abs/1104.0699;
Nessun segnale da parte di D0“Study of the dijet invariant mass distribution in p p bar → W→(l→lv)+jj final states at √s =1.96TeV”, http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results/final/HIGGS/H11B/H11B.pdf;
“Tevatron teams clash over new physics”, Eugenie Samuel Reich, 10 June 2011, Nature, doi:10.1038/news.2011.361, http://www.nature.com/news/2011/110610/full/news.2011.361.html#B3;
Articoli divulgativi“Large Hadron Collider results excite scientists”, Paul Rincon, BBC, News Science & Environment, 23 July 2011, http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-14258601;
“Higgs boson ‘hints’ also seen by US labs”, Paul Rincon, BBC, News Science & Environment, 24 July 2011, http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-14266358. Rocco Vilardi
Dinanzi a domande ancestrali, al senso stesso delle cose, la mente dell’uomo può diventare preda di smarrimento e inquietudine. Tuttavia la ricerca scientifica, con le sue verità validate dall’esperienza e attraverso il proprio metodo, può contribuire a diminuire tale senso di incertezza.Una delle questioni più delicate, uno dei misteri che maggiormente affascinano l’uomo è la ragione stessa della materialità delle cose, del loro essere oggetti dotati di massa. Generazioni di scienziati stanno cercando di dare risposta a tale questione ipotizzando modelli e concependo esperimenti.
Lo scorso 22 luglio 2011, scienziati del CERN (European Organization for Nuclear Research) hanno presentato alla “International Europhysics Conference on High Energy Physics” (conferenza sulle alte energie organizzata dalla Società Europea di Fisica), alcuni risultati ("Measurements of Particle Production in pp-Collisions in the Forward Region at the LHC / Ruf, Thomas (CERN)" http://cdsweb.cern.ch/record/1370101/files/LHCb-TALK-2011-146.pdf) di notevole interesse che potrebbero indicare la presenza di almeno una nuova particella elementare.
All’interno dell’LHC (Large Hadron Collider), gigantesco collisore circolare di particelle dal diametro di circa 27 km, vengono fatti collidere frontalmente fasci di particelle che ruotano in senso opposto. Tali collisioni avvengono ciascuna ad energie (nel caso dei protoni) migliaia di miliardi di volte superiori rispetto all’energia di una singola particella di luce visibile. Prezioso frutto di tali scontri sono miriadi di altre particelle delle quali vengono analizzate e studiate la carica, la massa e molte altre importanti caratteristiche fisiche. Fra gli scopi principali quello di elaborare importantissime informazioni in base alle quali cercare di comprendere le interazioni fondamentali della natura e il ruolo giocato dalle particelle coivolte.
Certamente, uno dei principali obiettivi di un tale enorme sforzo non solo tecnologico ma concettuale, computazionale e, soprattutto, energetico è la comprensione del meccanismo fisico di produzione della massa. Negli anni '60 il prof. Peter Ware Higgs propose una teoria che potrebbe consentire di spiegare per quale motivo le particelle hanno massa. Proprio alla ricerca della particella di Higgs, del bosone anche conosciuto come “particella di Dio”(1), è rivolta la massima attenzione della comunità dei fisici.
In tale contesto, l’annuncio dello scorso 22 luglio, sembra aver mandato in fibrillazione i fisici: un eccesso di 2.8 sigma nella regione di massa dei 140-145 GeV e un eccesso di circa 2 sigma verso i 250 GeV.
Il linguaggio dei fisici, monoreferenziale e privo di sfumature linguistiche per i non addetti ai lavori, può risultare molto difficile e incomprensibile: un eccesso non è nient’altro che uno scostamento (in positivo) da quanto ci si sarebbe potuto aspettare di rivelare sperimentalmente partendo dalle sole conoscenze teoriche certe in quel momento.
Un eccesso diventa significativo quando supera i 3 sigma: fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale mentre al di sopra dei 5 sigma si parla di scoperta. Per dare un’idea, 3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa (evento improbabile). Il valore 5 sigma equivale invece a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato (evento altamente improbabile).
Si tratta di una mera questione di probabilità: se un evento si ripete sempre allo stesso modo un numero molto elevato di volte allora lo si da per confermato.
Riuscire ad avere un eccesso di 5 sigma significa, quindi, ottenere lo stesso evento un numero tanto elevato di volte tali da dare la ragionevole sicurezza che, a parità di condizioni sperimentali, le medesime leggi fisiche saranno rispettate anche nel futuro.
(1) il bosone di Higgs è anche detto particella di Dio per la capacità che avrebbe di giustificare la massa delle altre particelle attraverso la sua stessa esistenza.
Evidenza e scoperta
Si parla di scoperta oltre il livello 5 sigma.
Fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale.
3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa – tale occorrenza è improbabile.
5 sigma equivale, invece, a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato – tale occorrenza è altamente improbabile
Perché la comunità scientifica chiami “scoperta” un risultato innovativo è necessario che l’entità dei dati raccolti sia sufficientemente elevata da consentire di raggiungere un chiaro livello 5 sigma. Solo allora sarà ragionevole credere che volendo condurre il medesimo esperimento sotto le medesime condizioni sperimentali questo segua le leggi scoperte.
I risultati presentati dal CERN, in maniera particolare quello nella regione dei 140-145 GeV, fanno immaginare che presto potrebbero esserci sviluppi estremamente interessanti. Il risultato a 140-145 GeV esce rafforzato dal confronto con uno studio condotto da scienziati della collaborazione CDF del Fermilab (Collider Detector Fermilab at Tevatron): il livello di tale studio presenta un eccesso superiore e pari a 3.2 sigma. A illustrare tale risultato, Viviana Cavaliere, giovane fisica italiana.
Mentre il pensiero dell’intera comunità dei fisici sembra quasi naturalmente rivolgersi alla sfuggente particella, al tanto agognato bosone di Higgs, leggendo l’articolo dei 3.2 sigma del Fermilab ci si rende conto che se di particella si tratta potrebbe trattarsi di tutt’altra particella, ma non del bosone di Higgs.
Tale contesto si complica ulteriormente a causa di un risultato ottenuto dall’esperimento D0 condotto da scienziati del Fermilab: nessun eccesso da registrare! La situazione, evidentemente, non è ancora assolutamente chiara. Gli scienziati sono divisi tra chi sospetta ci sia di mezzo il bosone di Higgs, tra chi intravede una nuova particella elementare (segno forse di una nuova interazione della natura) e tra chi, invece, non vede alcun segnale, l’unica certezza è che nulla allo stato attuale degli esperimenti è certo!
A rendere la situazione ancora più interessante e intricata è un ulteriore articolo pubblicato dai ricercatori di CDF: il livello di significatività passa da 3.2 sigma a ben 4.1 sigma. Per riassumere, la soglia della scoperta sperimentale è più vicina ma l’esperimento concorrente del Fermilab non vede nulla e il CERN inizia a farci sperare. Che intrigo!
Data l’incertezza, forse conviene seraficamente allinearsi alla dichiarazione equilibrata resa da Sergio Bertolucci, CERN's Director for Research and Scientific Computing: “Discovery or exclusion of the Higgs particle, as predicted by the Standard Model, is getting ever closer,” (http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR09.11E.html) ovvero “la scoperta o l’esclusione della particella di Higgs, per come predetta dal modello standard, è sempre più vicina”.
I computer continuano a elaborare l'incessante flusso di dati che giungono dagli esperimenti. Forse il prof. Higgs avrà ragione o forse no. Di certo la fisica ne uscirà vincitrice mentre si cerca di far chiarezza riguardo alle varie ipotesi in gioco:
conferma sperimentale dell'esistenza del bosone di Higgs;
necessità di scovare un nuovo modello teorico che spieghi la generazione della massa;
conferma dell'esistenza sperimentale di una o più particelle elementari diverse da quella di Higgs (magari legate all’esistenza di una nuova interazione fondamentale);
comprensione e reinterpretazione degli eccessi rivelati qualora ci si accorga che, in realtà, non vi sia alcun nuovo risultato degno di nota.
Non resta che aspettare mentre stiamo probabilmente assistendo alla stesura di alcune delle pagine più entusiasmanti della conoscenza umana!
Riferimenti
International Europhysics Conference on High Energy Physics http://eps-hep2011.eu/
Peter Ware Higgs - Da Wikipedia, l'enciclopedia liberahttp://it.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs
CDF, livello 4.1 sigma“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in p p bar Collisions at √s = 1.96 TeV”, A. Annovi, P. Catastini, V. Cavaliere, L.Ristori, http://www-cdf.fnal.gov/physics/ewk/2011/wjj/7_3.html;
CDF, livello 3.2 sigma“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in p p bar Collisions at √s =1.96TeV”, CDF collaboration, Phys. Rev. Lett. 106, 171801 (2011) http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i17/e171801;
“Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s)=1.96TeV”, CDF collaboration, submitted 04 April 2011, http://arxiv.org/abs/1104.0699;
Nessun segnale da parte di D0“Study of the dijet invariant mass distribution in p p bar → W→(l→lv)+jj final states at √s =1.96TeV”, http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results/final/HIGGS/H11B/H11B.pdf;
“Tevatron teams clash over new physics”, Eugenie Samuel Reich, 10 June 2011, Nature, doi:10.1038/news.2011.361, http://www.nature.com/news/2011/110610/full/news.2011.361.html#B3;
Articoli divulgativi“Large Hadron Collider results excite scientists”, Paul Rincon, BBC, News Science & Environment, 23 July 2011, http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-14258601;
“Higgs boson ‘hints’ also seen by US labs”, Paul Rincon, BBC, News Science & Environment, 24 July 2011, http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-14266358. Rocco Vilardi
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