Science, 8 Jan 93, Vol. 259, pg. 173 - Paul Selvin - Perché alcune particelle sono più pesanti di altre? I fisici pensano che le particelle elementari guadagnino massa interagendo fra di loro con il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs fu postulato nell’ambito dello Standard Model per spiegare il peso di due rare particelle, W e Z responsabili del decadimento radioattivo, ma una teoria esauriente è ancora elusiva.
Nel Modello Standard ci sono 18 parametri da definire sperimentalmente e 13 dei quali hanno a che fare con la massa. Ci sono tre famiglie di particelle ciascuna delle quali contiene due quark e due leptoni.
| Leptoni | massa (GeV) | Quarks | massa (GeV) |
| 1’elec. neutrino | <2*10E-8 | up | 4*10E-3 |
| elettrone | 5,1*10E-4 | down | 7*10E-3 |
| 2’muon neutrino | <3*10E-4 | charm | 1,5 |
| muone | 0,106 | strange | 0,2 |
| 3’tau neutrino | <4*10E-2 | top | >91 (non ancora osservato) |
| tau | 1,784 | bottom | 5 |
Science, 5 Feb 93, Vol. 259, pg. 773 - George F. Bertsch - Recentemente una serie di esperimenti di fisica nucleare ad alta e media energia (scattering) non hanno confermato i comportamenti previsti per il mesone p-greco, particella associata alle forze nucleari secondo la teoria di Yukawa. Fra tutti i mesoni quello p-greco ha la massa più piccola e secondo la teoria di Yukawa deve avere il più grande raggio di azione di forza ed è quindi preferito negli esperimenti.
Science, 26 Mar 93, Vol. 259, pg. 1872 - J. Steinberger - Il neutrino, proposto da Pauli nel 1930, è stato sempre una particella elusiva. Introdotto per spiegare un’apparente violazione della conservazione dell’energia nel decadimento beta con la teoria sviluppata da Fermi, la sua esistenza fu confermata nella teoria dell’unificazione delle interazioni debole ed elettromagnetica nel 1970, ma una rivelazione diretta non era ancora possibile perché i neutrini sono le sole particelle che hanno solo interazione debole. La prima osservazione indiretta dei neutrini si ebbe nel 1956 quando con i reattori per la produzione del trizio per la bomba all’idrogeno si realizzò la reazione: neutrino + protone = neutrone + elettrone(+) generando un sufficiente flusso di neutrini. Nel dopoguerra l’osservazione dei raggi cosmici e la tecnica degli acceleratori aprì il mondo delle alte energie; poiché la sezione d’urto delle particelle aumenta proporzionalmente all’energia, gli eventi di interazione sono più frequenti. Molte conoscenze sui neutrini si sono acquisite studiando quelli provenienti dallo spazio. I neutrini solari secondo il modello standard, oggi supposto affidabile, sono dell’ordine di 10E11 per cmq per sec e trasportano un’energia pari ad alcuni percento di quella termica del sole. Per rivelarli si usa il decadimento beta inverso del cloro: Cl(37) + neutrino = Ar(37) + elettrone(-). L’Argon ottenuto è radioattivo con tempo di dimezzamento di 35 giorni e dalla sua misura si può risalire al flusso di neutrini. Tuttavia fino ad oggi le misure hanno rivelato solo un terzo dei neutrini predetti. Lo stesso risultato si è ottenuto con un altro metodo basato sull’interazione fra neutrini ed elettroni che produce la radiazione di Cerenkov rivelabile con fotomoltiplicatori. Il motivo potrebbe dipendere dal fatto che il sistema di rivelazione è capace di rilevare solo i neutrini più energetici provenienti dal decadimento del B(8) nel sole e non quelli a più bassa energia formatisi con la reazione: protone + protone = deuterio + elettrone(+) + neutrino. Si sta ora ricorrendo per la rivelazione alla reazione del Gallio: Ga(71) + neutrino = Ge(71) + elettrone(-) che è più sensibile. Se i risultati saranno ancora inferiori alle previsioni, potrebbe essere confermata l’ipotesi avanzata da Pontecorvo delle oscillazioni che trasformano i neutrini-elettroni in neutrini-muoni incapaci di produrre il decadimento beta inverso.
Altre osservazioni si riferiscono ai neutrini provenienti dal collasso delle supernove in stelle di neutroni. Il 23 marzo 1987 alle ore 07:35 U.T. si è osservata l’esplosione delle supernova SN1987A: tutti i rivelatori di neutrini hanno registrato l’evento e l’andamento energetico dell’impulso della durata di 10 sec secondo quanto previsto per una tipica supernova.
I neutrini hanno inoltre giocato un ruolo nella dinamica della formazione dell’universo. Dall’abbondanza relativa all’idrogeno del deuterio, elio e litio(7) si può dedurre l’abbondanza delle tre famiglie di neutrini che potrebbero essere candidati per la materia oscura che sembra costituire la maggior parte della materia dell’universo.
Science, 30 Apr 93, Vol. 260, pg. 622 - Faye Flam - Durante la riunione di aprile della American Physical Society è stata presentata una ricerca sulla natura fondamentale della materia mediante esperimenti a basso costo (poor man’s high-energy physics). Il gruppo Lamoreaux dell’Università di Washington DC è riuscito ad ottenere un’eccezionale sensibilità nel rivelare un offset fra due cariche elettriche di un dipolo cioè 10E-23 cm. Questo apre nuove possibilità nelle ricerche sulla supersimmetria che prevede un dipolo elettrico di meno di 10E-27 cm. Scoprire un tale dipolo elettrico nel neutrone può dimostrare la violazione della parità a livello subatomico e quindi l’esistenza di una freccia del tempo anche per i fenomeni atomici. Infatti l’asse magnetico di una particella dovuto allo spin cambia direzione se si rovescia il flusso del tempo mentre un dipolo elettrico mantiene lo stesso orientamento, quindi una particella che ha insieme un dipolo elettrico ed un asse magnetico di spin apparirà diversa se si inverte il flusso del tempo. Fino a questo momento la ricerca di un dipolo nel neutrone non ha dato risultati.
Science, 21 May 93, Vol. 260, pag. 1077 - Robert Pool - Le moderne teorie fondamentali della fisica non sono facili da provare. Le esperienze per confermare queste teorie vengono condotte normalmente usando acceleratori di grande potenza, ma un gruppo di ricercatori della IBM vuole impiegare ora un altro tipo di forza bruta: un anno di intensi calcoli con un speciale supercomputer per mostrare che la teoria della cromodinamica quantistica (QCD) predice in modo corretto le masse degli adroni cioè protoni , neutroni, pioni ed altri. La QCD è la teoria che descrive le forze forti cioè quelle forze che mantengono protoni e neutroni nel nucleo. Fino ad oggi i fisici hanno cercato di provare gli effetti di questa teoria alle alte energie ottenibili con gli acceleratori. Alle basse energie, quelle della materia in quiete, si possono calcolare le masse delle particelle che compongono il nucleo calcolando però le energie dei gluoni che tengono insieme i quarks; poiché i gluoni interagiscono fra di loro, i calcoli sono non lineari e non c’è una soluzione analitica. Una soluzione approssimata richiede calcoli numerici complessi. Un algoritmo più trattabile impiega il metodo alle differenze finite applicato al continuo spazio tempo con un numero sufficiente di elementi. Per questi calcoli si è realizzato il GF-11, un sistema di 566 processori in parallelo. Ci vorrà circa un anno per eseguire un centinaio di quadrilioni (10E17) di operazioni aritmetiche.
Science, 25 Jun 93, Vol. 260, pg. 1874 - Gary Taubes - Esistono 270 tipi di nuclei stabili o di lunga vita, elementi normali e loro isotopi, ma in teoria possono esistere circa un numero 20 volte più grande di nuclei aventi vita brevissima e strane proprietà. Si tratta di isotopi con un numero di neutroni al limite della stabilità, esistono due curve limite dette proton dripline e neutron dripline. Fino ad ora sono stati creati in laboratorio solo 3000 dei 5000 nuclei teoricamente possibili. Questi nuclei sono ottenuti usando un ciclotrone per bombardare dei bersagli con ioni e purificare i nuovi ioni ottenuti mediante focalizzazione magnetica. Lo studio di questi elementi è interessante anche in astrofisica nel processo di formazione degli elementi nelle stelle, in particolare nel ciclo detto CNO (carbon-nitrogen-oxygen) nel quale i nuclei di elio si fondono per creare elementi più pesanti. Quando la temperatura raggiunge poi circa i 100 milioni di gradi si innesca il processo detto rapid proton (rp) che forma gli elementi più pesanti aggiungendo rapidamente protoni al nucleo.
Science, 3 Sep 93, Vol. 261, pg. 1276 - Charles Mann - Per più di 60 anni i progressi nella fisica delle particelle si sono avuti con l’uso di macchine acceleratrici sempre più potenti che hanno permesso di osservare fenomeni che compaiono solo alle alte energie, ma mentre il costo crescente degli acceleratori sta frenando questa strada, e ne è un esempio lo SSC; in Italia si è trovata una strada in parte alternativa ed a costo senza dubbio più basso con il nuovo laboratorio di fisica sotto il Gran Sasso. L’idea iniziò nella mente di Antonino Zichichi, sperimentatore e pubblicista scientifico che si è dimostrato molto efficace là dove scienza, politica e finanze si incontrano. Venuto a conoscenza del progetto della nuova autostrada fra Roma e la costa adriatica che prevedeva un tunnel di 10,4 km sotto la montagna del Gran Sasso, pensò subito ad un esperimento sul decadimento del protone previsto come test della teoria della grande unificazione: un laboratorio schermato da una massa di rocce sotto il Gran Sasso sarebbe stato nell’ambiente ideale soprattutto perché la montagna era formata da rocce sedimentarie di arenaria successivamente sollevatesi senza inclusione di strati sottostanti contenenti uranio. Zichichi riuscì a coinvolgere l’interesse dei politici e dei responsabili della regione Abruzzi ed il laboratorio fu autorizzato nel 1982. Nel 1987 vi furono installate le apparecchiature ed il costo totale fu di circa 75 milioni di US$. L’idea di provare il decadimento del protone fu dopo pochi anni superata dopo che esperimenti in USA, Giappone ed India avevano mostrato come fosse estremamente difficile da provare per quanto schermato fosse il laboratorio. Zichichi aveva però previsto molti altri impieghi alternativi ed uno di questi era la rivelazione dei neutrini solari. Presto si dovettero scoprire degli inconvenienti imprevisti: le acque che filtravano attraverso l’arenaria portavano disciolto gas radon radioattivo che accresceva il rumore di fondo di quello che doveva essere il “laboratorio del silenzio cosmico”. Ancora non si è trovata una soluzione definitiva. Il laboratorio rimane utile per esperimenti in più campi come dinamica stellare. monopoli magnetici e neutrini da collasso stellari. Non potrà però essere mai un sostituto degli acceleratori e di questo è anche convinto Carlo Rubbia.
Science, 8 Oct 93, Vol. 261, pg. 177 - Faye Flam - La famiglia dei quark è costituita da 6 membri: up, down, charm, top, bottom e strange. La materia normale è composta solo dai primi due: up e down, ma in teoria potrebbe comprendere anche quark strange: ciò potrebbe verificarsi all’interno delle stelle collassate formando una “strana” materia. I quark strange hanno una massa molto grande e quindi si formano con energie molto alte ed erano abbondanti durante la prima frazione di secondo dopo il Big Bang. Con gli acceleratori si possono realizzare combinazioni di due o tre quark che includono quello strange, ma decadono rapidamente in altre particelle di massa più piccola. Un nucleo che comprende i quark strange può raggiungere le dimensioni di una stella. I ricercatori, mediante collisioni di nuclei di oro, cercano di ottenere un piccolo nucleo di materia strana che dovrebbe lasciare una traccia ben distinta per la sua grande massa.
Science, 7 Jan 94, Vol. 263, pg. 28 - Gary Taubes - Quando un neutrino passa abbastanza vicino ad una molecola d’acqua si trasforma in un muone, una particella carica simile ad un elettrone, ma 207 volte più pesante. Questo muone continua a viaggiare nella direzione del neutrino lasciando all’indietro un cono di luce detta radiazione di Cherenkov, rivelando la quale, si può determinare l’origine del neutrino. Numerosi esperimenti per rilevare questi coni di luce si stanno facendo nel mondo usando degli array di fotomoltiplicatori immersi nelle profondità dei mari. Uno di questi progetti è il DUMAND (Deep Undersea Muon and Neutrino Detector) già in corso che dovrà coprire un’area di 20000 mq sotto il mare vicino alle Hawaii. Del milione di neutrini che passerebbero in quest’area in un’ora solo uno potrà essere rilevato. Un progetto rivale del 1988 è quello denominato AMANDA (Antartic Muon and Neutrino Detector Array) da installare sotto il ghiaccio dell’Antartico a 1 km di profondità sfruttandone la trasparenza e la grande omogeneità. Un altro esperimento è quello in corso nel lago Baikal che ha dato origine al progetto più avanzato Russo-Europeo-Americano denominato NESTOR (dal leggendario re di Pilo) che prevede di iniziare con una torre di 12 piani identici esagonali da 32 m di diametro con ai 6 vertici ed al centro due fotomoltipicatori uno rivolto verso l’alto e l’altro verso il basso. La prima torre dovrebbe essere calata a 3500 m di profondità nel Mar Egeo nella primavera del 1995. La prima torre deve costare 2.5 milioni di US$ e le prossime 6-12 milioni di US$ in totale.
Science, 18 Feb 94, Vol. 263, pg, 916 - Faye Flam - La ricerca della massa dei neutrini potrà dare delle risposte nella teoria del Modello Standard ed a questo scopo la strategia delle misure viene basata sulla generazione di un fascio di neutrini da parte di un acceleratore e, dopo averli fatti passare attraverso uno spessore di roccia da 1 km ad alcune migliaia di km, rilevarli per scoprire se hanno cambiato identità fra i tre possibili tipi (elettrone, muone e tau). Questa trasformazione, nota come oscillazione, implica una massa almeno per uno dei tipi perché l’oscillazione è ammessa dalle regole della meccanica quantistica solo se c’è una variazione di massa. L’esperimento può sfruttare un acceleratore esistente presso il CERN di Ginevra che può generare una sorgente controllata e calibrata di neutrini e dei rivelatori realizzati per raccogliere neutrini dal Sole o dai raggi cosmici. Questi si trovano in una miniera del Minnesota, nel tunnel del Gran Sasso, in Italia, ed in Giappone. La sorgente può generare solo neutrini muoni ed i rivelatori sono sensibili ai neutrini tau.
Science, 29 Apr 94, Vol. 264, pg. 658 - Faye Flam - Dopo 5 anni di osservazioni di collisioni al Tevatron del Fermi National Accelerator Laboratory, è stato annunziata con qualche riserva la scoperta della particella top quark, la più pesante e l’ultima della famiglia dei 6 quark previste nello Standard Model. Le misure indicano che la particella ha una massa di 174 miliardi di eV quasi quanto un atomo d’oro. Il top quark è così instabile che appena si materializza esplode in altre particelle che a loro volta esplodono in altre ancora ed è l’osservazione di una tale cascata di particelle che indica la sua presenza; la probabilità che si tratti di eventi casuali diminuisce all’aumentare del numero di osservazioni sospette. Dal 1992 al 1993 si sono osservati 12 eventi qualificabili come possibili top quark. Eventi casuali sono a 2,8 sigma cioè hanno una probabilità di 1/400; in genere per poter affermare una nuova scoperta nel campo della fisica delle particelle si aspetta di raggiungere i 5 sigma. Il top quark è risultato più pesante di quanto pensato dai teorici e, poiché la massa di una particella è un indice dell’accoppiamento che esiste con l’ipotetica particella di Higgs, il top quark ed il suo corrispondente di antimateria sono le particelle con più stretta relazione con la particella di Higgs.
Science, 3 Jun 94, Vol. 264, pg. 1392 - Christopher Anderson - I fisici cercano ancora di capire perché nell’universo esista più materia di antimateria. La ricerca su questo problema è rivolta allo studio delle particelle chiamate mesoni-b di breve vita che si crede siano al centro del fenomeno di violazione della carica-parità (CP). Durante le collisioni di particelle ad alta energia si formano coppie di particelle ed antiparticelle con cariche ed orientamento opposto. Le leggi di simmetria richiedono che particelle ed antiparticelle abbiano lo stesso tempo di decadimento, ma nel 1980 è stato scoperto che ci sono delle differenze nei mesoni-k o kaoni. Lo stesso dovrebbe verificarsi per i mesoni-b formati da coppie di quark-b (bottom) che sono più facili da studiare. Questa gara si svolgerà presso i grandi acceleratori il primo fra i quali sarà il KEK di Tokyo o Tristan II, e presso l’acceleratore dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), collisori elettroni-positroni progettati per generare un gran numero di mesoni-b. Questi saranno pronti nel 1999. Nuovi collisori fra adroni saranno poi il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, che sarà pronto nel 2005, e lo HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) che sarà pronto entro il 1998.
Science, 24 Jun 94, Vol. 264, pg. 1843 - Faye Flam - Lo Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) nel Laboratorio di Fisica delle Particelle del DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) vicino Amburgo, ormai nei primi 2 anni di operatività, ha cominciato a penetrare i misteri della materia. Protoni e neutroni, come si sa, sono costituiti da quark, ma intorno ad essi esiste un denso mare di altri quark virtuali di breve vita. Tutto ciò è coerente con la nuova teoria della Cromodinamica quantistica (QCD); le particelle virtuali all’interno del protone costituiscono i portatori delle forze di legame fra i quark detti gluoni. Le collisioni elettrone-protone prodotte nel sistema HERA, che raggiungono un’energia di 850 miliardi di eV, producono una spettacolare cascata di altre particelle. L’elettrone può estrarre un quark dal protone, ma ambedue non sono più stabili perché hanno cariche di “colore” (indicate con rosso, verde e blu) non neutralizzate e ciascuno produce un getto di particelle rese stabili da altri quark estratti dai gluoni.
Science, 22 Jul 94, Vol. 265, pg. 480 - George F. Bertsch - Mesoni, protoni e neutroni sono composti di quark tenuti insieme da forze portate da particelle dette gluoni. A temperature estremamente elevate mesoni e nucleoni si dissolvono formando un nuovo tipo di materia detto plasma di quark-gluoni e come in un plasma i quark sono liberi di muoversi in tutto il volume. Questo plasma ha interessanti proprietà, ad esempio ha un calore latente di formazione come in una transizione di fase e questa transizione può avere avuto un ruolo nell’evoluzione dell’universo. La prima predizione di questo plasma fu fatta nel 1980 e la temperatura necessaria fu valutata a 2*10E12 K o 150 MeV valore che è alla portata dei moderni acceleratori che producono collisioni fra nuclei pesanti, ma la possibilità di formarsi il plasma durante una collisione dipende dal rimanere tutta l’energia nella zona della collisione in modo che protoni e neutroni possano interagire fra di loro. Le collisioni devono avvenire fra nuclei pesanti uguali in modo che possano arrivare a fermarsi rendendo disponibile tutta l’energia nel punto di impatto. La collisione dura pochi multipli di 10E-24 s; si tratta poi di vedere quanto tempo passa prima che si abbia la riconversione alla materia ordinaria. Per il momento non ci sono prove del formarsi di un plasma quark-gluoni.
Science, 29 Jul 94, Vol. 265, pg. 607 - John Travis - Daniel Snowden Ifft, un fisico dell’Università di Berkeley in California, è alla ricerca di tracce della materia oscura nei cristalli di mica vecchi di un miliardo di anni. Le possibili collisioni di particelle dette weakly interacting massive particles (WIMP) con gli ordinati cristalli di mica produrrebbero dei danni visibili nel reticolo. Su un tempo di un miliardo di anni anche un piccolo frammento di cristallo di mica dovrebbe mostrare molti di questi impatti. Tuttavia l’analisi accurata di 1/1000 di cmq di mica non ha mostrato tracce di WIMP distinguibili da quelli prodotti dai raggi cosmici e dai neutroni degli atomi radioattivi.
Science, 18 Nov 94, Vol. 266, pg. 1157 - Gary Taubes - Per dare una risposta al problema dei neutrini solari, cioè alla differenza fra il flusso troppo basso dei neutrini provenienti dal Sole e quello predetto dai modelli teorici, i fisici cercano di misurare sperimentalmente la frequenza alla quale il berillio-7 acquista un protone per diventare boro-8 ed emettere, decadendo, un neutrino ad alta energia. Dei 10 miliardi di neutrini che arrivano ogni secondo su 1 centimetro quadrato della terra solo uno ogni pochi giorni viene rivelato in uno dei 4 rivelatori installati sulla Terra. Il numero delle rivelazioni è circa 1/2 o 2/3 di quello previsto. Una spiegazione è che i neutrini nel percorso dal Sole si trasformano (oscillano) in una specie che non può essere rivelata.
Science, 25 Nov 94, Vol. 266, pg. 1311 -Science Scope - La settimana scorsa, nel laboratorio di ricerca degli ioni pesanti (GSI) in Darmstadt, Germania, è stato creato per la prima volta l’elemento 110. I ricercatori hanno bombardato un sottile foglio di piombo con un fascio veloce di ioni di nickel. Due giorni dopo un nucleo inglobato nel rivelatore al silicio è decaduto producendo 4 particelle alfa previste per il decadimento dell’elemento 110. L’esperimento è stato ripetuto altre due volte.
Science, 2 Dec 94, Vol. 266, pg. 1479 - Daniel Clery - La scoperta dell’elemento 110 annunziata dal Laboratorio di ricerca degli ioni pesanti (GSI) di Darmstadt in Germania è stata rivendicata anche da altri due gruppi di ricerca: il Joint Institute for Nuclear Research (JINR) di Dubna, Russia, ed il Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) in California. Presso il primo gruppo è stato eseguito un esperimento per creare l’elemento 110 due mesi fa e si stanno ora analizzando i dati, presso il secondo sono stati analizzati dati di un esperimento condotto nel 1991 e si è scoperto un possibile risultato positivo. Presso lo LBL il metodo usato è stato il bombardamento di un bersaglio di bismuto con ioni di cobalto mentre nell’esperimento dello JINR venivano bombardati nuclei di plutonio con ioni di zolfo.
Science, 6 Jan 95, Vol. 267, pg. 29 - Random Samples - Il Laboratorio di ricerca degli ioni pesanti (GSI) di Darmstadt in Germania, dopo l’annunzio dato lo scorso novembre della creazione dell’elemento 110 bombardando con nuclei di nickel un bersaglio di piombo, ha annunziato di aver creato l’elemento successivo, il 111 con numero atomico 272, bombardando con un isotopo più pesante di nickel un bersaglio di bismuto. L’elemento 111 è un po’ più stabile del 110 con una vita di circa 4 millisecondi invece del mezzo millisecondo del 110. Molti teorici credono che i protoni ed i neutroni nel nucleo tendono a formare degli strati e quando gli strati sono completi l’atomo è più stabile. Si prevede che l’elemento 114 abbia uno strato di protoni completo e quindi dovrebbe essere ancora più stabile.
Science, 6 Jan 95, Vol. 267, pg. 45 - R. S. Raghavan - I neutrini del sole sono prodotti da tre tipi di reazioni nucleari: quella protone-protone che genera deuterio, quella da berillio(7) a litio(7) e quella da boro(8) a elio(4). Il flusso più abbondante è quello proveniente dalla prima (protone+protone), ma può avere diversa energia a seconda che provenga da:
protone + protone = deuterio + elettrone(+) + neutrino(0,4 MeV),
oppure:
protone + elettrone(-) + protone = deuterio + neutrino(1,1 MeV).
Segue la reazione:
protone + deuterio = elio(3) + rad. gamma.
L’86% dell’elio(3) da luogo a:
elio(3) + elio(3) = elio(4) + 2 protoni
(prima produzione di elio(4) = pp-I);
il 14% dell’elio(3) si combina con l’elio(4) e produce berillio(7) + rad. gamma.
Il 99% del berillio prodotto da luogo alle reazioni:
berillio(7) + elettrone(-) = litio(7) + neutrino(0,86 MeV)
litio(7) + protone = 2 elio(4)
(seconda produzione di elio(4) = pp-II).
Lo 0,1% del berillio prodotto da luogo alle reazioni:
berillio(7) + protone = boro(8) + rad. gamma
boro(8) = 2 elio(4) + elettrone(+) + neutrino(10 MeV)
(terza produzione di elio(4) = pp-III).
Rivelatori con diverse finestre di energia rivelano pochissimi neutrini della reazione del berillio(7), che dovrebbero essere più numerosi, e circa la metà del flusso previsto per la reazione boro(8) e quindi c’è un’anomalia nel rapporto neutrini Be/B, che secondo il modello dovrebbe essere circa 860, ed un deficit dei neutrini del B. I teorici cercano ora di trovare una spiegazione fuori dal modello standard supponendo i neutrini provvisti di massa.
Science, 10 Feb 95, Vol. 267, pg. 788 - Random Samples - Fino ad oggi la misure dei neutrini solari hanno dato dei flussi pari circa a un terzo del valore teorico e se la teoria è corretta ci potrebbe essere qualcosa di sbagliato nei rivelatori. Recentemente, da giugno ad ottobre 1994, è stato testato dentro il tunnel del Gran Sasso in Italia il rivelatore GALLEX con una sorgente artificiale di neutrini ottenuta irradiando con neutroni un bersaglio di cromo arricchito con l’isotopo 50. L’isotopo 50 si tramuta nel 51 che decade emettendo neutrini con livello di energia pari a quello dei neutrini solari. Le misura hanno registrato un numero di neutrini come atteso dalla teoria con un margine di errore del 10%.
Science, 3 Mar 95, Vol. 267, pg. 1255 - Science Scope - Il 2 marzo il team del Fermilab’s Tevatron Accelerator nell’Illinois, sulla base dei dati raccolti, ha potuto comunicare che la scoperta del top quark è da considerarsi sicura con un’incertezza di una parte su 2 milioni. La massa è stata stimata di 174 miliardi di eV.
Science, 10 Mar 95, Vol. 267, pg. 1424 - John Travis - La carica dell’elettrone e del protone sono state considerate indivisibili fino al 1960 quando i teorici hanno ipotizzato l’esistenza dei quarks con cariche di 1/3 e 2/3 di quella dell’elettrone. La carica è quantizzata, ma non si sa perché e quale possa essere l’unità più piccola, così i fisici sono alla ricerca di una “crazy particle” o “millicharged particle” che appartiene al mondo della “dark matter”. Una ricerca di queste particelle viene programmata presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) bombardando con elettroni un bersaglio di tungsteno e deviando con un forte campo magnetico tutte le particelle cariche che si producono. Le millicharged particles dovrebbero proseguire praticamente diritte e, filtrate da una massa di arenaria, arrivare ad un rivelatore.
Science, 24 Mar 95, Vol. 267, pg. 1767 - Alexander Hellemans - Si pensava che lo spin del protone si potesse ottenere sommando il contributo degli spin dei suoi tre quark, ma nel 1988 si scoprì che i quark contribuivano solo in parte, circa il 30% del valore di +1/2 proprio dei nucleoni. La ricerca del 70% mancante dello spin si sta organizzando nei laboratori DEZY (Deutsches Elektronen Synchrotron) in Germania mediante lo Hadron Electron Ring Accelerator (HERA) ed uno speciale rivelatore detto Hermes di sviluppo multinazionale. Tuttavia lo Hermes non è in grado di misurare lo spin dei gluoni se esiste.
Robert F. Service - I fisici sono sul punto di realizzare impulsi di luce della durata di poche centinaia di attosecondi (1 attosec. = 10E-18 sec). Impulsi di questa durata possono servire per osservare il moto degli elettroni intorno ad un atomo nella sua naturale scala dei tempi aprendo una nuova finestra all’osservazione dei fenomeni atomici. Per realizzare impulsi dell’ordine degli attosecondi è necessario: 1) comporre molte frequenze diverse; 2) tutte le frequenze generate devono essere coerenti; 3) l’impulso deve contenere abbastanza fotoni da illuminare il soggetto subatomico; 4) gli impulsi devono esssere separati almeno di un millisecondo per poter raccogliere i risultati con dispositivi elettronici normali. Nessuna di queste condizioni è facile da realizzare ed i metodi studiati sono molto complessi ma, se i sistemi funzioneranno, il primo impiego sarà quello di rivelare l’elettrone all’interno di un atomo ed osservane il suo moto.
Science, 1 Sep 95, Vol. 269, pg. 1218 - Alexander Hellemans - La scoperta del top quark è stata un successo per il Modello Standard ed il prossimo obiettivo è la ricerca del bosone di Higgs la cui massa è prevista fra 130 e 600 GeV per essere dentro le previsioni del Modello Standard. Lo studio delle collisioni con lo SLAC di Stanford ed il DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) di Amburgo potranno mettere in evidenza però delle falle nel Modello Standard se si evidenzierà una forte violazione di CP (Charge-Parity). Un altro problema aperto è quello dei neutrini emessi dalle reazioni nucleari del Sole che risultano inferiori alle previsioni. La spiegazione più favorita è che nel tragitto dal Sole alla Terra i neutrini cambiano di tipo per un processo detto di “oscillazione” passando dal tipo elettrone ai tipi muone o tau. Questo processo richiede però che i neutrini abbiano una massa e questo è proibito nell’ambito del Modello Standard.
Science, 15 Sep 95, Vol. 269, pg. 1511 - Gary Taubes - Da più di 10 anni i teorici cercano una teoria unificata per le particelle, le forze, comprese la gravità, e la fisica quantistica cioè una teoria valida per ogni cosa. Questa teoria potrebbe essere quella delle stringhe in origine descritta a metà degli anni ‘60 con un gruppo di equazioni irrisolubili per descrivere le collisioni dei protoni negli esperimenti con gli acceleratori. Successivamente i fisici notarono che queste equazioni potevano essere interpretate come descriventi una particella fondamentale costituita da una stringa unidimensionale che in dipendenza delle sue vibrazioni ed interazioni poteva dare luogo ad ogni forma di materia e queste stesse equazioni richiedevano l’esistenza della gravità, ma i teorici hanno poi scoperto che esistono 5 distinte formulazioni delle equazioni delle stringhe che descrivono un universo a 10 dimensioni. Per ridursi al nostro universo a 4 dimensioni esistono tecniche matematiche per eliminare le 6 dimensioni superflue, ma vi sono decine di migliaia di modi per arrivare a questo compattamento e non si sa quale sia la scelta giusta per cui la teoria sembra lontana dal mondo reale fisico. L’unificazione fra fisica quantistica e gravità prevista dalla teoria delle stringhe avverrebbe al livello di energia della scala di Planck, 18 ordini di grandezza più alta delle energie oggi realizzabili. La teoria delle stringhe permette inoltre l’esistenza di un nuovo zoo di particelle, dal monopolo magnetico ai minuscoli buchi neri e membrane a 5 dimensioni (bubble). La teoria quindi, pur essendo promettente è molto lontana dall’essere compresa.
Science, 22 Sep 95, Vol. 269, pg. 1671 - James Glanz - La domanda se i neutrini hanno una massa ha avuto fino ad ora risposte contraddittorie ed opposte. Un gruppo di 39 ricercatori che collaborano al Liquid Scintillator Neutrino Detector (LNSD) a Los Alamos suggerisce che i neutrini possono oscillare cioè cambiare tra tipo elettrone, muone e tau e questo implica una certa massa in contraddizione con il modello standard; questo dovrebbe spiegare il basso flusso di neutrini proveniente dal Sole ed il basso rapporto fra neutrini muone e neutrini elettrone prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera terrestre. Un altro rapporto tecnico, riportato nella Physical Review Letters (PRL) del 2 ottobre, del Ph.D. James Hill dell’università di Pennsylvania dimostra però che i risultati sono contaminati dai raggi cosmici e manca quindi la prova del processo di oscillazione. Hill viene molto criticato, ma le sue osservazioni non sono errate; a questo punto ambedue le opinioni sono difendibili e solo un maggior numero di dati potrà risolvere la contesa.
Science, 29 Sep 95, Vol. 269, pg. 1813 - James Glanz - Al Fermilab vicino Chicago si sta realizzando un acceleratore a sincrotrone che sarà completato entro il 1999 e che lancerà un fascio di protoni a 120 miliardi di eV contro un bersaglio di grafite. Kaoni e pioni prodotti dalla collisione subiranno il decadimento lungo un percorso sotterraneo di 730 km fino a Soudan in Minnesota dove, in una miniera di ferro saranno posti dei rivelatori di neutrini muone e tau. I neutrini tipo muone sono quelli prodotti dal decadimento mentre i tau si possono trasformare dai primi per oscillazione qualora i neutrini siano dotati di massa. Il progetto è detto NuMI (Neutrinos at the Main Injector) ed è finanziato dal DOE con 135 milioni di US$.
Science, 3 Nov 95, Vol. 270, pg. 729 - Dennis Normile - L’11 novembre segnerà la fine della fase di costruzione dell’impianto Super-Kamiokande in Giappone per la rivelazione dei neutrini. Si tratta di un colossale serbatoio da 50000 tonnellate di acqua con 11200 fotomoltiplicatori per rivelare i lampi di luce di Cerenkov emessi quando i neutrini interagiscono con la materia emettendo un elettrone. Il sistema è installato in una miniera di piombo a 300 km ad ovest di Tokyo ed è costato 100 milioni di US$. Questo nuovo sistema sostituirà il precedente Kamiokande aperto nel 1983 che ha aiutato a scoprire la supernova 1987A. Con il Super-K ci si aspetta di rivelare 30 eventi al giorno contro i 0,3 del vecchio sistema. Il primo scopo è di misurare il profilo di energia dei neutrini solari per verificare se si adatta a quello previsto per il decadimento del Boro-8 nel Sole che emette neutrini in un certo campo di energia. Se i neutrini durante il percorso dal Sole si modificano (oscillano) la curva sarà diversa e questo comporterà una massa non nulla per essi. Il nuovo rivelatore misurerà anche la distribuzione dei neutrini provenienti dallo spazio e se si nota una diversa distribuzione fra quelli diretti e quelli che attraversano la terra ciò significherà anche che si è verificato il fenomeno dell’oscillazione. Molti altri esperimenti sono ancora in fase di pianificazione.
Science, 15 Dec 95, Vol. 270, pg. 1756 - Gary Taubes - La teoria QCD (Quantum Cromodynamics) è nata nel 1973 ed ha spiegato come i quark si tengono insieme e le loro interazioni con il campo “cromoelettrico” portato dai gluoni. La QCD mostra come la forza mediata dai gluoni, a differenza di ogni altra forza è molto debole quando i quark sono vicini e diventa sempre più forte al crescere della distanza. Se si cerca di strappare un quark da un protone l’energia richiesta diventa sempre più grande ed il campo così intenso che si producono spontaneamente coppie quark-antiquark ed invece di estrarre un quark si generano coppie di adroni cioè particelle composte da due o più quark. Le equazioni della QCD debbono tenere conto non solo delle particelle che interagiscono, ma anche della nuvola di gluoni virtuali e coppie di quark-antiquark che compaiono e svaniscono nel vuoto; anche i gluoni non possono esistere come particelle libere. Nel 1974 Ken Wilson ha applicato le equazioni della QCD ad una griglia quadridimensionale dello spaziotempo ad elementi finiti. La potenza di calcolo richiesta varia con la sesta potenza della densità di questa griglia ed i tempi di calcolo con i supercomputer si valutano in anni, ma il metodo ha potuto predire la massa di una dozzina di adroni incluso il protone e l’esistenza di glueball cioè di una materia fatta di gluoni a certi livelli di energia.
Science, 12 Jan 96, Vol. 271, pg. 147 - Andrew Watson - La scorsa settimana è stata annunziata dal CERN la creazione dei primi antiatomi di idrogeno combinando antiprotoni e positroni. L’antimateria è l’immagine speculare della materia e la sua esistenza è stata ipotizzata nel 1931 da Dirac prevedendo teoricamente il positrone. Questo è stato scoperto nel 1933 mentre l’antiprotone è stato scoperto nel 1955 a Berkeley. Ora presso il CERN è stato usato il Low Energy Antiproton Ring (LEAR) per realizzare un fascio di antiprotoni facendolo incontrare con un getto di gas xeno. In certe condizioni l’interazione crea coppie positrone-elettrone ed in qualche caso le velocità erano sufficientemente vicine da favorire la loro combinazione. Gli 11 atomi di anti-idrogeno creati hanno richiesto 5*10E12 antiprotoni. Gli antiatomi si annichilavano dopo circa 40 miliardesimi di secondo producendo un segnale identificabile.
Science, 9 Feb 96, Vol. 271, pg. 758 - James Glanz - Dopo un anno di prove di collisione fra protoni ed antiprotoni con l’acceleratore Tevatron da 1,8 trilioni di eV al Fermi National Accelerator Laboratory i ricercatori hanno trovato una distribuzione di particelle riflesse ad alti angoli superiori alle previsioni della cromodinamica quantistica (QCD). Questo potrebbe far pensare che i quark hanno una struttura interna mettendo in crisi il Modello Standard. Ci possono essere però altre spiegazioni come la generazione di particelle massive più pesanti della Z0 che appaiono durante le collisioni ad alta energia.
Science, 16 Feb 96, Vol. 271, pg. 911 - Alexander Hellemans - Già otto anni fa un gruppo di fisici delle particelle del CERN scoprì che i tre quark costituenti protoni e neutroni non definiscono il loro spin. I fisici hanno trovato che il contributo dei quark è appena il 20% incluso quello del mare di quark virtuali creato dai gluoni. Fino al 1988 si pensava che lo spin del nucleone fosse dato dalla somma di quello dei tre quark di valenza, ora tre gruppi di ricercatori, i due europei del CERN e del DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) ed uno dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), guardando più da vicino la struttura del nucleo, hanno compreso che, per il fatto che i quark scambiano i gluoni, si deve introdurre una correzione che dovrebbe far tornare il bilancio; il problema sta nel come misurare questo effetto. Il contributo delle coppie quark-antiquark virtuali è invece negativo (circa un 12%) e questo rende ancora più strano il problema.
Science, 26 Apr 96, Vol. 272, pg. 474 - Gary Taubes - Nell’aprile del 1995 al Fermilab Tevatron Accelerator si sono fatti collidere protoni e antiprotoni con un’energia di 1 triliardo di eV e gli effetti sono stati inaspettati per i fisici. Lo sciame prodotto comprendeva una coppia di elettroni molto energetici, una coppia di fotoni ad alta energia ed una o due particelle sfuggite alla rivelazione. Sembra che la teoria ortodossa del Modello Standard non spieghi questo insieme e potrebbe essere la prima prova della teoria della supersimmetria. Questa postula una simmetria nel mondo delle particelle che fa corrispondere ad ogni fermione e bosone noto un bosone ed un fermione supersimmetrico. Nessuna particella supersimmetrica è stata trovata fino ad ora, ma teorici e sperimentatori sono molto attenti nella ricerca di segni della loro esistenza come anche della particella di Higgs che la supersimmetria suggerisce avere una massa nei limiti delle energie degli attuali acceleratori.
Science, 10 May 96, Vol. 272, pg. 812 - James Glanz - Dal Los Alamos National Laboratory arriva l’annunzio che da una gran massa di dati raccolti con l’esperimento del Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) emergono prove che il neutrino cambia identità e quindi è dotato di massa. Si sono infatti trovati 22 eventi in cui un neutrino si trasforma da un tipo ad un altro (elettone, muone o tau). La massa che ne risulta potrebbe essere di 0,5 eV o poco più.
Science, 10 May 96, Vol. 272, pg. 815 - Gary Taubes - Tutta la materia dell’universo sembra sia costituita da solo due dei possibili sei quark: up e down. I teorici però prevedono che il quark “strange” più pesante può formare un’altra famiglia di particelle stabili che potrebbero esistere all’interno delle stelle di neutroni, ma ogni sforzo per crearli in laboratorio è risultato vano. Una delle combinazioni più stabili di particelle “strange” è quella chiamata H formata da 6 quark: due up, due down e due strange; questa particella tuttavia decade in un miliardesimo di secondo quando, per interazione debole, uno dei quark strange si trasforma in down e questo tempo dovrebbe poter essere osservato negli esperimenti con gli acceleratori.
Science, 11 Oct 96, Vol. 274, pg. 173 - James Glanz - All’inizio dell’anno si pensava che fosse vicino il crollo della teoria del Modello Standard per una serie di risultati contradditori raccolti dal Fermilab e dai laboratori del CERN. Ora nuovi dati hanno cambiato la visione e, alla fine dell’anno si può dire che questa teoria è sopravvissuta. Le anomalie riscontrate riguardavano un alto tasso di decadimento del bosone Z non spiegabile con il Modello Standard e la scomparsa di una grossa parte di energia nel bilancio delle collisioni protoni antiprotoni con il Tevatron; una nuova particella era sfuggita, forse un gravitino previsto nella teoria supersimmetrica. Ulteriori misure hanno però sgonfiato queste aspettative; gli eventi anomali sono rimasti ancora troppo pochi.
Science, 11 Apr 97, Vol. 276, pg. 200 - Andrew Watson - La particella dell’assone è stata proposta circa 20 anni fa per superare un problema della cromodinamica quantistica (QCD), nell’ambito del Modello Standard, che descrive come i quark sono tenuti insieme dai gluoni. Tuttavia tutti i tentativi di scoprire gli assoni nelle collisioni nucleari sono falliti, ma forse si sta cercando nel posto sbagliato. Ora l’indagine si è spostata nell’ambito cosmologico e dell’astrofisica. Nella primitiva sfera di fuoco dell’universo gli assoni dovevano essere numerosissimi e dovrebbero essere ancora milioni di milioni per centimetro cubo, venendo a costituire il 90% della materia nella forma oscura. La rivelazione di un assone si può ottenere trasformandolo in un fotone all’interno di un forte campo magnetico ed usando una cavità accordata alla frequenza del fotone. La cavità deve essere raffreddata a 1,3 K ed il campo magnetico è prodotto da un magnete a superconduzione da 6 ton. Gli esperimenti sono iniziati e ci si aspetta di analizzare i primi dati entro questo mese.
Science, 22 Aug 97, Vol. 277, pg. 1032 - James Glanz - Il progetto comune di quattro istituzioni degli Stati Uniti e del Regno Unito detto Observatory for Multiflavor Neutrinos from Supernovae (OMNIS) ha definito le locazioni degli impianti ed è ora alla ricerca dei finanziamenti valutati fra 20 e 40 milioni di US$. Se il progetto diventerà operativo si potranno rivelare i burst di neutrini di almeno 10 secondi che annunziano l’esplosione di una supernova nella nostra galassia. I due osservatori, uno in un giacimento di sale scavato in Carlsbad nel New Mexico e l’altro in una miniera di sale a Boulby in UK, saranno anche in grado di dire una parola sulla vecchia questione della massa dei neutrini. Infatti, a differenza di quelli già esistenti come il Super-K giapponese, i nuovi rivelatori sono in grado di rivelare i tre tipi di neutrini, elettrone, muone e tau il cui comportamento è diverso se i neutrini hanno una massa. Per le supernove la forma dell’impulso potrà dire agli astrofisici come avviene l’esplosione, l’improvvisa interruzione del flusso sarebbe una prova evidente della formazione di un buco nero ed i due rivelatori possono aiutare a localizzarla.
Science, 12 Sep 97, Vol. 277, pg. 1609 - Gary Taubes - Due esperimenti condotti al Bookhaven National Laboratory, New York, e presso il CERN di Ginevra hanno pesato recentemente una particella ibrida costituita da un quark, un antiquark e un gluone dimostrando che anche i gluoni possono essere costituenti della materia secondo quanto previsto dalla Cromodinamica quantistica (QCD). Questa strana particella a breve vita (10E-23 sec) viene chiamata exotic meson ed è stata scoperta studiando gli sciami lasciati da più di 200 milioni di collisioni fra protoni e pioni (particelle formate da quark e antiquark). La massa calcolata è di 1,4 GeV, troppo alta per essere quella di un normale mesone, ma c’è anche un’altra ipotesi, che cioè questa particella sia costituita da due quark e due antiquark, la prima particella a 4 quark predette anche dalla QCD in gran numero, ma mai osservate.
Science, 19 Sep 97, Vol. 277, pg. 1766 - David Ehrenstein - Recentemente due team di ricercatori, uno di Israele e l’altro francese, hanno dimostrato che le cariche di un sottile strato di elettroni, sottoposti ad un forte campo magnetico e raffreddati a circa lo zero assoluto si muovono in unità di un terzo della carica di un elettrone. Queste cariche frazionarie erano state predette dai fisici per spiegare il fenomeno detto di Fractional Quantum Hall (FQH) effect che si verifica quando a bassa temperature con gli elettroni confinati in un sottile strato e sotto un forte campo magnetico, la tensione trasversale generata per effetto Hall si incrementa in step discreti multipli di 1/3 della carica dell’elettrone. Gli elettroni nello strato formano uno stato quanto meccanico nel quale si muovono insieme formando aggregazioni di tre vortici. Si formano insieme dei buchi positivi di valore frazionario.
Science, 24 Oct 97, Vol. 278, pg. 571 - Richard Stone - La tabella periodica degli elementi arriva oggi fino al numero atomico di 112, ma il numero di isotopi è molto elevato e possono avere caratteristiche nucleari molto diverse, molti sono altamente radioattivi e instabili con vita brevissima come il 112 che ha un tempo di dimezzamento di 280 microsecondi. In natura esistono 94 elementi, includendo nettunio e plutonio che esistono in tracce, ma dal 1940 i fisici hanno prodotto i nuovi elementi mediante reattori nucleari e acceleratori di particelle. L’Institute for Heavy Ion Research (GSI) in Darmstadt ha scoperto 5 degli ultimi 6 elementi; competitori sono il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e il Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna vicino Mosca. Ora i tre istituti pianificano una nuova ricerca per l’elemento 114 che i teorici prevedono si trovi al centro di un’isola di stabilità per avere una disposizione di protoni e neutroni su gusci concentrici completi. L’elio, l’ossigeno, il calcio, lo stagno ed il piombo hanno un guscio completo di protoni (numero magico), lo stesso succederà per l’elemento 112. Il piombo-208 è doppiamente magico perché ha anche un guscio completo di neutroni (126), il successivo numero magico di neutroni è 184 e quindi l’elemento 114/298 sarà doppiamente magico. La caccia all’elemento 114 è cominciata nel 1960; la tecnica favorita era quella della “fusione calda” che consisteva nel fare collidere fasci di ioni elio o altri elementi leggeri su elementi pesanti come il plutonio; il nuovo elemento si raffreddava emettendo neutroni. Nei primi anni ‘70 i ricercatori di Dubna iniziarono un nuovo metodo detto della “fusione fredda” in cui si facevano collidere degli isotopi di dimensione media, come il cobalto, con elementi stabili più pesanti come piombo o bismuto con energia sufficiente a fondersi. Gli elementi 108 e 109 sono stati ottenuti dal GSI mediante fusione fredda, il 110 con fusione fredda dal GSI e Berkeley e con fusione calda in Dubna, nel 1984 il GSI ha ottenuto il 111 e nel febbraio 1986 il 112 fondendo zinco con piombo, ma sono stati necessarie 3*10E18 collisioni per ottenere 2 atomi del 112. Per il 113 i ricercatori del GSI intendono fare collidere zinco-70 con bismuto e per il 114/283 germanio con piombo, ma si è al limite delle possibilità.
Science, 6 Feb 98, Vol. 279, pg. 802 - Dennis Normile - Sembra che il governo Coreano voglia investire da 10 a15 milioni di US$ per la costruzione di un High-Energy Astrophysics Neutrino Laboratory (HANUL) il cui acronimo significa cielo in coreano. Si tratta di realizzare un sistema di rivelazione dei neutrini classificandoli secondo a loro energia. Il sistema sfrutterà uno spettrometro magnetico accoppiato a rivelatori di Cerenkov immersi in vasche di acqua. Osservando come si incurva la traiettoria dei muoni nel campo magnetico si potranno distinguere i neutrini dagli antineutrini e misurare la loro energia cosa che non fa nessuno degli attuali rivelatori. Lo scopo sarà di studiare i neutrini provenienti da sorgenti astrofisiche.
Science, 3 Apr 98, Vol. 280, pg. 35 - David Kestenbaum - I fisici annunziano di aver finalmente scoperto l’ultima particella della famiglia dei mesoni costituita dall’antiquark bottom e dal quark charm riuniti dalla forza forte (di colore). Fino ad ora i fisici avevano trovato solo 14 delle possibili 15 combinazioni avendo escluso le combinazioni con il quark top scoperto 4 anni fa perché troppo pesante e troppo instabile per avere tempo di combinarsi. Quest’anno, a seguito delle migliorie apportate al rivelatore di collisioni del Fermilab, i fisici hanno raccolto dati sufficienti per scoprire questa rarità. Fra i dati misurati c’è il tempo di vita valutato a un mezzo trilionesimo di secondo, più breve di quanto prevedano alcune teorie. Ci sono ancora degli scettici, ma gli addetti alle misure ritengono che ci sia una probabilità di uno a un milione che i risultati siano dovuti a fluttuazioni casuali.
Science, 5 Jun 98, Vol. 280, pg. 1526 - David Kestenbaum - Il monopolo magnetico è l’equivalente nel magnetismo della carica elettrica dell’elettrone, ma non si è riusciti mai a provare la sua esistenza con le energie dei più potenti acceleratori esistenti. Ci sono ragioni di credere che queste particelle si siano formate durante il big bang, ma è stato vano il tentativo di rivelare il loro passaggio in un anello di conduttore e si sospetta che il loro numero deve essere troppo piccolo. Si pensa ora che la loro massa deve essere superiore a 1580 volte quella del protone, si formerebbero nella collisione fra protone ed antiprotone e sarebbero rivelati dall’emissione contemporanea di due fotoni ad alta energia in direzione opposta.
Science, 12 Jun 98, Vol. 280, pg. 1689 - Dennis Normile - La scorsa settimana è stato annunziato che i dati provenienti dal gigantesco rivelatore giapponese di neutrini forniscono una prova indiretta della massa dei neutrini. Il rivelatore Super-Kamiokande da 100 milioni di US$, costituito da un contenitore da 50000 tonnellate di acqua con 13000 tubi fotomoltiplicatori installato in una miniera di zinco a 1000 m di profondità, ha fornito sufficienti dati per provare che certi tipi di neutrini si trasformano (oscillano) nel percorso in altri tipi che il rivelatore non può vedere; secondo la teoria ciò è possibile solo se i neutrini sono dotati di massa. La determinazione di tale massa non è ancora sicura, ma sembra che sia una piccola frazione di quella dell’elettrone. Questa scoperta è estremamente importante perché comporta una revisione del Modello Standard alla base della fisica delle particelle e delle forze che assume un neutrino privo di massa, inoltre ha implicazioni sul calcolo della massa totale dell’universo. I dati raccolti riguardano il rapporto fra neutrini muoni e neutrini elettroni che si formano nell’atmosfera per effetto dei raggi cosmici, processo ben noto anche quantitativamente; il rapporto misurato è però inferiore al teorico. Poiché il Super-Kamiokande è capace di determinare anche la direzione di provenienza dei neutrini, si è determinato il rapporto fra i neutrini che arrivano dall’alto e quelli che hanno attraversato la Terra provenendo dalla direzione opposta. Questo rapporto non è unitario se si verifica il fenomeno delle oscillazioni essendo i due percorsi diversi. Nei 535 giorni della prova il Super-Kamiokande ha contato 256 neutrini muoni provenienti dall’alto e 139 provenienti dal basso. I neutrini elettroni seguono invece la curva teorica. Le differenze misurate permettono di determinare la differenza di massa fra i due tipi di neutrini che è circa 0,07 eV, ma non il valore assoluto.
Science, 19 Jun 98, Vol. 280, pg. 1839 - Dennis Normile - Dopo la recente prova delle oscillazioni dei neutrini le indagini si stanno indirizzano al problema dei neutrini solari che risultano circa 1/3 o 1/2 di quelli previsti teoricamente. Il nuovo rivelatore giapponese Super-Kamiokande, dall’inizio della sua operatività nell’aprile 1996 ha rivelato circa 7000 neutrini, tre volte quelli rivelati fino ad ora da tutti gli altri rivelatori esistenti. Un problema è di capire dove avvengono queste oscillazioni e vi sono almeno due teorie. Una teoria suppone che i neutrini oscillino nel vuoto (scenario “just so”) e quindi il numero dei neutrini non rivelabili deve dipendere dalla distanza della Terra dal Sole e quindi dalle stagioni. Un’altra teoria (detta MSW dal nome dei tre inventori) ammette che le oscillazioni si verificano durante l’interazione con la materia ed in questo caso si devono rivelare variazioni fra il giorno e la notte per effetto dell’interposizione della massa terrestre.
Science, 10 Jul 98, Vol. 281, pg. 155 - Meher Antia - Dei neutrini si sa che esistono tre specie: il tipo elettrone, quello muone e quello tau, ma quest’ultimo non è mai stato osservato. Si sa che la particella pesante Z decade nei tre tipi di neutrini e si suppone che i neutrini muoni che piovono dall’alta atmosfera possono trasformarsi in quelli tau non rivelabili e questo implica che i neutrini abbiano una massa. I neutrini tau sono molto difficili da produrre: se ne produce uno ogni 10000 collisioni al Tevatron del Fermilab. Disponendo una speciale emulsione vicino alla zona di collisione, se un neutrino tau interagisce con un atomo crea una particella tau che crea nell’emulsione una traccia di un millimetro prima di decadere in altre particelle che lasciano pure una traccia. Dopo 4 mesi di esperimenti sono state trovate 3 di queste tracce ancora insufficienti per una dimostrazione scientifica.
Science, 7 Aug 98, Vol. 281, pg. 758 - David Kestenbaum - La teoria delle stringhe postula un universo a 10 dimensioni 7 delle quali sono compattate in una scala di 10E-33 cm impossibile da misurare in esperimenti alla nostra portata. Ora alcuni scienziati pensano che alcune di queste dimensioni possano portarsi a valori accessibili a misure con i nuovi acceleratori e tutta una nuova serie di particelle potrebbero essere rivelata. Attualmente la fisica è fondata su due grandi teorie perfettamente verificate, ma non connesse fra loro: la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein. Una possibilità di unificarle sta nella teoria delle stringhe. Le dimensioni compattate si comportano come particelle a forma di piccole corde che vibrano e la nota prodotta corrisponde alle diverse proprietà della particella. L’unificazione delle forze elettromagnetica e debole avviene a livelli di energia oggi accessibili, l’unificazione con la forza “forte” dovrebbe avvenire al livello GUF (Grand Unified Theory), un’energia circa un trilione di volte più alta di quella che raggiungerà il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Per la teoria delle stringhe l’unificazione di tutte le forze con la gravità dovrebbe avvenite ad un’energia 20 ancora volte più alta. Alcuni fisici pensano che, poiché la gravità agisce in più di tre dimensioni, potrebbe essere più forte a distanze più grandi della dimensione aggiuntiva. La gravità è stata misurata accuratamente fino a distanze del millimetro ed ora i ricercatori cercano di verificare se la sua intensità aumenta al di sotto del micrometro.
Science, 11 Sep 98, Vol. 281, pg. 1594 - David Kestenbaum - I dati raccolti dal rivelatore di neutrini giapponese Super-Kamiokande sono ormai convincenti circa la massa dei neutrini dopo che questa era stata già scoperta almeno 4 volte e rifiutata due volte. Si sa che il Modello Standard richiede che i neutrini abbiano massa nulla, ma ora il mistero è perché i neutrini sono così leggeri, uno di essi deve avere una massa pari a un milionesimo di quella dell’elettrone. I fisici pensano ora che debba esistere un quarto neutrino superpesante detto “N” senza il quale i neutrini dovrebbero essere senza massa: più pesante è questa particella “N” più leggeri sono i tre neutrini convenzionali. La Grand Unified Theory (GUT) richiede la presenza di particelle pesanti per unificare le forze. I neutrini vengono emessi in gran numero dalle supernove portando via il 99% dell’energia dell’esplosione. Se i neutrini hanno massa questa provoca un rallentamento e quindi i neutrini di una supernova dovrebbero arrivare in tempi diversi.
Science, 22 Jan 99, Vol. 283, pg. 472 - Andrew Watson - La composizione interna del protone è oggetto di indagini mediante i moderni acceleratori per capire il comportamento dei quark, dei gluoni e del mare di particelle virtuali che compaiono e spariscono continuamente, ma che sono responsabili delle proprietà del protone come la sua massa, struttura e interazione con le altre particelle e con i campi esterni. Presso il CERN di Ginevra è in costruzione il Large Hadron Collider (LHC) che sarà il più potente acceleratore di particelle con cui si pensa di creare il bosone di Higgs dalla collisione fra protoni, ma la struttura del protone sta svelando ancora molti segreti. Quando il protone fu scoperto da Rutherford nel 1919 era ritenuto indivisibile e puntiforme, poi i primi esperimenti di collisione protone-protone negli anni ‘30 rivelarono che si trattava di una particella di dimensioni finite e forse con una propria struttura. Negli anni ‘60 fu avanzata l’ipotesi dei quark costituenti dei protoni, neutroni e mesoni, i primi due erano formati da tre quark di due tipi ciascuno mentre i mesoni erano costituiti da un quark ed un antiquark ed erano di breve vita. Nel 1969 esperimenti di collisione elettone-protone presso lo Stanford Linear Accelerator Center confermarono l’esistenza dei quark. Negli anni ‘70 fu sviluppata la teoria della Quanto-Cromodinamica (QCD) che governava l’interazione fra i quark e che prediceva l’esistenza nei quark di una carica di colore, sorgente della forza che li teneva insieme mediata da particelle dette gluoni. Nello stesso periodo esperimenti con i neutrini provarono che il protone non è un sistema rigido e che i gluoni avevano la tendenza a scindersi spontaneamente in coppie quark e antiquark creando un mare di particelle virtuali da cui dipendevano anche le proprietà del protone. Nel 1992 con l’inaugurazione dell’acceleratore HERA del centro DEZY in Germania, le collisioni elettroni-protoni cominciarono a mostrare la costituzione interna del protone. Si scoprì che i gluoni erano in numero superiore a quello dei quark ed antiquark virtuali, i quark presenti avevano masse differenti e quelli più pesanti (charm, bottom e top) erano molto rari; i più leggeri (up e down) erano presenti in ugual numero e il tipo strange, un po’ più pesante, era meno numeroso. Altri esperimenti presso il Fermilab e lo HERA dimostrarono poi che il numero degli antiquark down superavano quelli degli antiquark up con un rapporto 3/2 e questo era veramente un fatto inspiegabile con la QCD. Si è proposta una spiegazione con un nuovo modello del protone costituito da un neutrone, da mesoni pi positivi (pioni), costituiti da un quark up e da un antiquark down (carica +1), e da altri mesoni, ma non tutti sono entusiasti. Nel novembre 1998 è stato segnalato che il numero degli antiquark up nel protone non uguaglia quello degli antiquark down nel neutrone. I fisici cercano ora di giustificare questi risultati con la QCD che è una strana e bella teoria le cui conseguenze sono spesso inaccessibili.
Science, 19 Feb 99, Vol. 283, pg. 1095 - James Glanz - Fino a questo momento nessuno è riuscito ad osservare in modo conclusivo i Wimp (Weakly Interacting Massive Particles) ipotetici relitti del big bang che dovrebbero formate gran parte della dark matter dell’universo, ma già si parla di una nuova più massiva particella detta Wimpzilla. Questa è stata descritta lo scorso mese in un simposio a Chicago sullo Status of Inflationary Cosmology, dovrebbe avere una massa da milioni a trilioni di volte quella dei Wimp e dovrebbe essere stata creata subito dopo l’inflazione cioè a 10E-35 secondi dall’inizio. Si tratta di un’ipotesi teorica nell’ambito della Grand Unified Theory (GUT) e la loro presenza potrebbe spiegare i rari e misteriosi raggi cosmici che cadono sulla Terra con energie enormi. Mentre i Wimp hanno un’energia di 10E6 GeV i Wimpzilla avrebbero un’energia di 10E13 GeV corrispondente a masse molecolari. Create a coppie di materia e antimateria, la bassa interazione e l’espansione ne avrebbero impedito l’annichilamento.
Science, 5 Mar 99, Vol. 283, pg. 1428 - James Glanz - Il Modello Standard delle particelle subatomiche prevede che la violazione CP (Charge-Parity) sia molto piccola. Ora i dati provenienti dall’osservazione del decadimento di milioni di particelle nell’acceleratore Tevatron del Fermilab dimostrano una asimmetria maggiore. Per più di 30 anni la viaolazione CP era nota in forma indiretta dal decadimento delle particelle dette kaon-long (a lunga vita) che una volta su 500 si trasformano in due pioni invece che in tre. La scoperta fece vincere il premio Nobel ai fisici Fitch e Cronin. La teoria predisse una violazione più piccola anche per i kaoni neutri, ma la misura fu resa possibile solo dopo decenni di miglioramenti alla tecnologia dei rivelatori. Il risultato di nuove raffinate misure ha dato un valore 300 volte più piccolo di quello del kaon-long, ma sempre molte volte più grande di quello previsto dalla teoria. Questa previsione è anche legata alla massa del quark strange ed un accordo con l’esperienza si troverebbe supponendo la sua massa molto più grande.
Science, 2 Apr 99, Vol. 284, pg. 27 - Alexander Hellemans - Le forze che legano i quark all’interno di protoni e neutroni sono prodotte dai gluoni i quali, a differenza di tutte la altre particelle portatrici di forza, si è scoperto che sono dotati di spin. I fisici tedeschi del laboratorio DESY vicino ad Amburgo hanno scoperto che il contributo dei tre quark del protone o del neutrone allo spin totale è solo una piccola parte e, includendo anche il contributo dei quark virtuali si arriva solo al 30%. La scoperta dello spin dei gluoni è stata fatta misurando lo scattering con i gluoni di particelle quark-antiquark, prodotte dalla materializzazione di fotoni. Analizzano i dati di collisioni raccolte nel ‘96-’97 si è avuto la conferma dello spin dei gluoni, ma ancora non si può determinarlo quantitativamente.
Science, 23 Apr 99, Vol. 284, pg. 568 - Alexander Hellemans - La scorsa settimana nell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Frascati in Italia un nuovo rivelatore, il KLOE, ha iniziato a fornire dati sulla CP violation delle particelle prodotte dal DAFNE, il nuovo collisore elettroni-positroni dello INFN. Il DAFNE accelera elettroni e positroni ad un’energia di 510 MeV in un anello di 100 m ed i prodotti di annichilazione, le particelle phi, sono raccolte dal KLOE. Le particelle phi decadono in coppie di kaoni e antikaoni. I kaoni possono essere del tipo short o long life; i K-short decadono quasi istantaneamente in 2 pioni mentre i K-long, dopo aver percorso parecchi metri, decadono in 3 pioni. Circa 1 su 1000 dei K-long si trasformano in K-short e producono 2 pioni costituendo una violazione CP indiretta, ma uno su un milione di K-long decade spontaneamente in 2 pioni invece di 3 e questa costituisce una violazione CP diretta. Bisognerà raccogliere 500 milioni di eventi, ed a lungo termine 50 miliardi di eventi, per aumentare di 10 volte l’accuratezza dei risultati ottenuti al Fermilab.
Science, 11 Jun 99, Vol. 284, pg. 1751 - Robert F. Service - I fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno annunziato all’inizio della settimana di aver creato due nuovi elementi superpesanti: il 118 ed il 116. Il risultato è stato quasi una sorpresa perché i teorici ritenevano che la tecnica usata per crearli, fusione di due nuclei di peso intermedio a bassa energia, avrebbe funzionato solo fino all’elemento 112; ora si pensa che si sia aperta la strada anche per l’elemento 119 e per i più pesanti. I fisici hanno accelerato ioni di krypton contro un bersaglio di piombo, hanno separato i prodotti emessi ed analizzato il loro decadimento. In 11 giorni di esperimenti hanno osservato tre decadimenti alfa corrispondenti a tre atomi 118 ed uno di questi decadimenti ha prodotto un atomo 116 mai osservato fino ad ora. Il team pensa ora di usare atomi di bismuto, che hanno un protone di più del krypton, per tentare la produzione dell’elemento 119.
Science, 18 Jun 99, Vol. 284, pg. 1909 - Dennis Normile - Il primo neutrino rivelato nel 1956 dai fisici Clyde Covan e Frederick Reines (premi Nobel) era emesso da una centrale nucleare. Anche il prossimo grande rivelatore che nascerà da una collaborazione Giappone-USA userà i neutrini delle centrali nucleari giapponesi oltre quelli del Sole. Il nuovo rivelatore si chiama KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) e occuperà una caverna di una miniera già occupata dal rivelatore di neutrini Kamiokande ora sostituito dal Super-Kamiokande posto in un’altra caverna della stessa miniera. Il KamLAND userà una sfera di 13 m di diametro con 1200 metri cubi di un liquido capace di scintillare in risposta all’interazione di neutrini a bassa energia; 1280 fotomoltiplicatori riveleranno questa luminescenza. Verranno confrontati il numero di neutrini rivelati al KamLAND con quelli teorici, ben noti, emessi dalle distanti centrali nucleari per misurare l’effetto di oscillazione e la loro trasformazione in neutrini non rivelabili. I teorici hanno 4 differenti scenari con cui possono avvenire queste oscillazioni ed il KamLAND è capace di analizzarle tutte. Si potrà quindi studiare il problema del deficit dei neutrini solari ed anche analizzare quelli emessi dai decadimenti radioattivi all’interno della Terra per migliorare la nostra conoscenza sulla natura e la localizzazione delle sorgenti interne di calore.
Science, 25 Jun 99, Vol. 284, pg. 2079 - James Glanz - La stima della massa per la particella di Higgs (circa 1000 GeV cioè 1000 volte la massa del protone) è stata fino ad oggi troppo alta per l’acceleratore Tevatron del Fermilab e l’unica speranza per la sua scoperta era rinviata al completamento del Large Hadron Collider (LHC) del CERN previsto per il 2005. Recentemente però più accurate misure hanno portato a ridurre la stima della massa della particella di Higgs portandola sotto i 230 GeV, altre considerazioni sul Modello Standard la portano al di sotto di 180 GeV o sotto i 130 se si deve credere alla supersimmetria. Ciò rende di nuovo interessante il Tevatron, ora migliorato al costo di 260 milioni di US$, ma saranno necessari almeno 2 anni di misure per raccogliere le prove. L’indicazione di una massa ridotta per la particella Higgs sarebbe il suo decadimento in un quark ed antiquark bottom rivelabile come un jet di particelle.
Science, 28 Jul 2000, Vol. 289, pg. 527 - Charles Seife - Il neutrino tau, estremamente raro e quasi senza massa, interagisce raramente con la comune materia ed è quindi difficilmente rivelabile. Ora un team di fisici ha dato notizia di una rivelazione diretta del neutrino tau. I neutrini furono ipotizzati da Pauli negli anni ‘30 per compensare l’energia persa nel decadimento radioattivo e l’esistenza del neutrino fu confermata poche decine di anni dopo. I fisici poi distinsero tre tipi di neutrini: di elettrone, di muone e di tau a seconda della particella prodotta quando colpiscono un bersaglio. Al Fermi National Accelerator Laboratory è stato organizzato l’esperimento DONUT (Direct Observation of the Nu Tau) utilizzando un fascio di protoni da 800 giga-eV che colpendo un bersaglio produce ogni sorta di particelle subatomiche fra cui certo i neutrini tau. Quando uno su ogni trilione di neutrini tau interagisce con un nucleo di ferro, crea una particella tau che lascia una traccia rivelatrice nelle emulsioni. Dall’esperimento si sono avute 4 tracce di particelle tau che confermano l’esistenza del neutrino tau.
Science, 25 Aug 2000, Vol. 289, pg. 1270 - Robert F Service - Se è difficile realizzare nuovi elementi transuranici, più difficile è analizzarne le proprietà chimiche data la loro brevissima vita. Questo è il caso dell’elemento 107, il bohrium, ottenuto nel 1976 dai fisici delle ricerche nucleari in Dubna, Russia, che solamente ora un team internazionale di chimici è riuscito ad analizzare. Per predire le proprietà di un elemento ignoto i chimici consultano la tavola periodica ed il bohrium appartiene al gruppo 7 come il tecnezio ed il rhenio, per le prove è necessaria una durata minima di vita. Il nucleo di bohrium creato aveva una vita di 6 millisecondi, troppo breve per gli esperimenti chimici. Fortunatamente alcuni isotopi vivono più di altri ed uno di questi, il Bh con 267 di peso atomico, vive 17 secondi che sono stati sufficienti a verificare le previsioni usando i soli 6 atomi ottenuti del Bh 267.
Science, 15 Dec 2000, Vol. 290, pg. 2083 - Günter Rosner - La nostra conoscenza della struttura interna del nucleoni (protoni e neutroni) è ancora piuttosto limitata. La ragione è che è difficile separare i loro costituenti perché fortemente legati fra di loro. L’unico modo di dare uno sguardo alla loro costituzione interna è di usare esperimenti di scattering. Si è visto così che anche i quark “strange” hanno un ruolo al loro interno. Negli anni ‘60 era diventato evidente che protoni e neutroni non erano particelle elementari. Considerazioni di simmetria portarono ad ipotizzare che fossero costituiti da tre quark, up (u) e down (d), e ciascuno contribuiva ad 1/3 della massa. Il sistema si dimostrò molto semplicistico, gli esperimenti di scattering mostrarono che i quark portavano solo ½ del momento totale ed il resto era trasportato dai gluoni, particelle di scambio responsabili della forza di legame forte all’interno del protone. I gluoni si possono temporaneamente dividere in coppie quark-antiquark, u e d, ed anche nel quark “strange”(s) e nel suo antiquark. Lo s ha una massa di 150 MeV ed è molto più pesante dei quark u e d che sono puntiformi e con massa di 5-10 MeV; lo s quindi deve contribuire considerevolmente alla massa totale dei nucleoni. Altri esperimenti condotti presso il CERN negli anni ‘80 hanno rivelato che solo una piccola frazione dello spin di un protone è portata dai quark, il resto è fornito dallo spin dei gluoni e particolarmente dalle coppie s di quark-antiquark. Lo scattering elettronico ha mostrato inoltre che vi sono coinvolte le forze elettromagnetiche e deboli e qui interviene anche la violazione della parità.
Science, 23 Feb 2001, Vol. 291, pg. 1471 - Robert Iron - Tutta la materia dell’universo esiste perché l’antimateria prodotta in pari quantità durante il big bang ha subito un diverso decadimento per un processo detto violazione della Carica-Parità (CP Violation) e questo sbilanciamento è di solo una parte per miliardo. La CP Violation è stata scoperta nel 1964 nel decadimento dei mesoni K, un insieme di particelle di materia ed antimateria a corta vita. Negli ultimi 2 anni i team dello Stanford Linear Acceleration Center (SLAC) in California e dello High Energy Acceleration Research Organization (KEK) giapponese hanno rivelato segnali più consistenti di CP Violation nei mesoni B, fratelli più pesanti dei mesoni K. Si sono creati decine di milioni di mesoni B facendo collidere elettroni con positroni e generando coppie di B e anti-B che hanno prodotto chiare indicazioni di CP Violation. Il valore adimensionale della CP Violation previsto dallo Standard Model è di 0,72 con un errore di +/-0,20; i primi risultati danno 0,58 +/-0,33. I fisici dello SLAC si aspettano di produrre 80 milioni di coppie B anti-B nel 2002 ed il nuovo acceleratore Tevatron del Fermilab ne potrà produrre un miliardo all’anno quando sarà acceso il prossimo mese.
Science, 22 Jun 2001, Vol. 292, pg. 2227 - Charles Seife - Le misure dei neutrini solari prodotti dal decadimento del boro-8 sono sempre state in difetto rispetto a quanto previsto dai fisici già dalla fine degli anni ‘60. Questo mistero è stato ora risolto presso il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada confermando quanto già indicato da numerosi esperimenti, specie quelli condotti dal Super-Kamiokande in Giappone. I neutrini elettroni mancanti hanno semplicemente cambiato “sapore” trasformandosi nei tipi mu e tau molto più difficili da rivelare e questo è possibile solo se i neutrini sono datati di massa. La conferma è venuta dallo SNO, un laboratorio posto a 2 km di profondità in una miniera di nichel nell’Ontario, confrontando le misure di due diversi rivelatori; il primo misurava il numero totale di neutrini dei tre tipi dal rinculo di elettroni nelle collisioni con i neutrini, il secondo rivelatore misurava solo i neutrini elettroni con una sfera di 1000 tonnellate di acqua pesante dove i neutroni emettono elettroni quando entrano in collisione con un neutrino elettrone. Queste misure, combinate con quelle del Super-Kamiokande, hanno rivelato quanti neutrini provengono dal Sole e quanti sono i neutrini mu o tau. Il numero totale è ora in ottimo accordo con i calcoli e la trasformazione da elettroni a mu o tau (oscillazione) avviene durante il percorso dal Sole alla Terra.
Science, 2 Nov 2001, Vol. 294, pg. 987 - Charles Seife - Fisici giapponesi ed americani hanno discusso recentemente le novità della fisica delle particelle. Riguardo ai neutrini si possono misurare direzione di provenienza ed energia dei neutrini usando un rivelatore formato da 1000 tonnellate di acqua pesante in una miniera dell’Ontario. Quando un neutrino elettrone collide con un atomo di deuterio produce due protoni ed un elettrone e dall’analisi di quest’ultimo si derivano i dati del neutrino di partenza. C’è ora prova che i neutrini oscillano fra i tre “sapori” di neutrino elettrone, mu e tau e questo prova anche che i neutrini hanno massa, ma non si sa ancora quanto essa sia grande. Un’altra importante grandezza è il “mixing angle” che è la combinazione di tre elemento base: v1,v2 e v3. I neutrini con basso mixing angle sono costituiti in prevalenza da v1 mentre con un elevato mixing angle sono costituiti in parti uguali da v1 e v2 ed una piccola quantità di v3. Un basso mixing angle indica anche una maggiore interazione con la materia e ciò comporterebbe un diverso flusso di neutrini provenienti dal Sole fra giorno e notte, invece la variazione misurata è piccola e quindi, con il 95% di confidenza, il mixing angle è grande. I teorici cercano ora di estendere il modello standard per includere le proprietà dei neutrini. Un altro annunzio riguarda la scoperta di una particella esotica contenente due quark “strange”. Fino ad ora si conosceva solo la particella lambda costituita da un quark strange, un up ed un down, ma non si riusciva a studiare l’interazione fra particelle strange perché non si possono produrre fasci di particelle lambda né metterne due dentro lo stesso nucleo. L’ultimo annunzio proviene dall’università di Kyoto che con l’acceleratore KEK ha dato evidenza di aver creato e distrutto un atomo di elio-6-lambda-lambda, un insieme di due protoni, due neutroni e due particelle lambda. Si è potuta determinare così per la prima volta l’interazione lambda-lambda che sembra abbastanza debole, circa 1 milione di eV (1 MeV), vicino ai valori previsti. Ci si aspetta ora di produrre molti di questi ipernuclei strani per una maggiore confidenza dei dati misurati.
Science, 23 Nov 2001, Vol. 294, pg. 1630 - Dennis Normile - Il mattino del 12 novembre mentre si stava completando la manutenzione del rivelatore a neutrini giapponese Super-Kamiokande per sostituire un centinaio di tubi fotomoltiplicatori bruciati e si stavano riversando le 50000 tonnellate di acqua purificata, si è verificata un’implosione che ha creato un’onda d’urto nell’acqua provocando la distruzione a valanga dei 7000 tubi in quel momento sommersi sul totale di 11146. Mentre si sta ancora indagando sulle cause ed il meccanismo dell’incidente, si sta già pensando alla rimessa in funzione del sistema, ma ciò potrà avvenire solo nel 2007 con una spesa di 15-25 milioni di US$. Contemporaneamente si avrà il completamento dell’acceleratore di protoni ad alta intensità da 2,7 miliardi di US$ che permetterà di sparare un fascio di neutrini 20 volte più intenso di quello ottenuto fino ad ora nell’esperimento K2K per la misura delle oscillazioni dei neutrini. Nell’ultimo decennio il Super-Kamiokande ha permesso di ottenere importanti risultati nella fisica ed astronomia dei neutrini e molti ne potrà ancora ottenere.
Science, 21 Dec 2001, Vol. 294, pg. 2449 - Adrian Cho - Nel febbraio 2001 i ricercatori del Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, avevano annunziato che la particella chiamata muone aveva un magnetismo 4 miliardesimi superiore a quanto previsto dal Modello Sttandard. Questo era stato interpretato come una possibile prova delle teorie di supersimmetria e quindi dell’esistenza di particelle molto più pesanti per ciascuna delle particelle note. Ora si è scoperta la presenza di un errore di segno nel complesso calcolo in cui si sommano un gran numero di contributi. La differenza c’è ancora, ma si è molto ridotta. Si spera entro il prossimo marzo di rifare la valutazione con maggiore precisione.
Science, 11 Jan 2002, Vol. 295, pg. 247 - Dennis Normile - L’incidente che ha devastato il 12 novembre il rivelatore di neutrini giapponese Super-Kamiokande è attualmente sotto analisi. Mentre si stava riempiendo d’acqua la vasca che conteneva gli 11000 rivelatori della radiazione di Cerenkov prodotta dai neutrini, l’esplosione di un tubo fra quelli già immersi ha provocato la distruzione a catena di circa 7000 tubi. L’effetto sembra sia stato provocato da un’onda d’urto e si sta cercando di riprodurre il fenomeno in piccola scala. La soluzione potrebbe essere di proteggere i tubi con un involucro acrilico e/o sviluppare tubi più resistenti allo shock.
Science, 8 Mar 2002, Vol. 295, pg. 1815 - Dennis Normile - Dopo l’incidente del 12 novembre scorso al rivelatore di neutrini giapponese Super-Kamiokande che ha distrutto in una reazione a catena 7000 degli 11000 fotomoltiplicatori, i ricercatori hanno provato numerosi materiali di protezione dei tubi contro le onde di shock; l’involucro scelto è una plastica rinforzata con fibre ed un duomo di plastica acrilica trasparente intorno alla parte sensibile; la protezione comporta anche una piccola riduzione di sensibilità. Per riportare il sistema alla sua completa funzionalità potrebbero essere necessari 5 anni e fra 15 e 25 milioni di US$.
Science, 26 Apr 2002, Vol. 296, pg. 632 - Charles Seife - I fisici del Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Ontario, Canada, hanno riferito sulle misure del flusso di neutrini dal Sole e da altre sorgenti. I risultati confermano che i neutrini si trasformano nei tipi tau e muoni che sfuggono così alla misura dei normali rivelatori. Il rivelatore dello SNO, formato da una sfera di 1000 tonnellate di acqua pesante posta 2 km sotto terra, è capace di discriminare fra neutrino elettrone e la totalità dei neutrini. Infatti solamente i neutrini elettroni provocano la reazione di charged-current quando colpiscono un nucleo di deuterio convertendo un neutrone in in protone ed un elettrone, tutti i tipi di neutrini invece producono la reazione di neutral current che decompone il deuterio in un protone ed un neutrone. Il rapporto fra la totalità dei neutrini ed i neutrini elettroni provenienti dal Sole prova in modo più certo la trasformazione che avviene durante il percorso rientrando dentro un sigma di 5,3 invece del 3,3 precedente.
Science, 12 Jul 2002, Vol. 297, pg. 184 - Charles Seife - La forza nucleare debole ha un campo di azione molto più corto sia della forza elettromagnetica che lega gli elettroni agli atomi che della gravità che tiene insieme stelle e galassie. Questa forza esercita un’azione sottile sulla materia ed ignora le regole del buon senso a cui obbediscono tutte le altre forze della fisica. Per più di tre decadi i fisici hanno studiato come questa forza interagisce con i quark, le particelle fondamentali della materia ordinaria ed ora la ricerca si è spostata anche sui neutrini. Diversamente dal comportamento delle altre forze, quella forte, l’elettromagnetica e la gravitazionale, la forza debole può cambiare l’identità delle particelle subatomiche trasformando un up quark in un down quark ed un neutrino elettrone in un neutrino muone e questo comportamento venne alla luce negli anni ‘30 quando i fisici studiarono il decadimento beta. Se si osserva del cobalto-60 abbastanza a lungo, un neutrone di un suo atomo si trasforma in protone trasformando il cobalto in nichel ed emettendo un elettrone. Questa trasformazione sembrò violare una fondamentale regola fisica: la conservazione del momento. Il fisico tedesco Wolfgang Pauli suggerì che insieme all’elettrone venisse emessa una piccola particella neutra e nel 1934 Enrico Fermi chiamò questa particella neutrino e spiegò questo decadimento introducendo una nuova forza, la nucleare debole. Oggi i fisici sanno che il decadimento beta avviene per l’interazione di un quark con il portatore della forza debole, la particella W che trasforma il down quark in up quark trasformando il neutrone in protone ed emettendo un elettrone ed un neutrino. La forza debole agisce su tutte le particelle subatomiche, quark, leptoni e neutrini, su questi ultimi anzi agisce solo la forza debole e questo rende difficile il loro trattamento. Approfondendo i principi di simmetria i fisici si accorsero infine che alla forza debole si deve l’esistenza della materia nell’universo. Esistono due tipi di simmetria, uno è noto come simmetria della carica (C) per la quale ogni esperimento con la materia ha un identico comportamento se eseguito con l’antimateria; una seconda simmetria è quella di parità (P) per la quale ogni esperimento ha un identico comportamento sostituendo la destra con la sinistra, l’alto con il basso e il davanti con il di dietro. La forza forte, quella elettromagnetica e la forza gravitazionale obbediscono alle simmetrie di carica-parità (CP), ma non così la forza debole. Quando si genera un neutrino esso avrà di preferenza uno spin sinistrorso. Nei primi anni ‘50 i fisici si accorsero inoltre che nel decadimento degli atomi di cobalto l’orientamento degli elettroni era di preferenza in alto piuttosto che in basso e questa era una violazione della parità (P). Altri esperimenti mostrarono la violazione della simmetria C e questo spiega la presenza di materia nell’universo. Infatti dopo il big bang si sarebbe dovuta formare una uguale quantità di materia ed antimateria e si sarebbero ambedue annichilite lasciando solo energia, ma a causa della violazione della simmetria CP c’è una leggera preferenza per la materia rispetto all’antimateria. Nel 1964 Cronin ed i suoi colleghi scoprirono la violazione CP in una particella nota come mesone K° costituito da un down quark e da un antiquark strange. K° ha anche la proprietà di trasformarsi nel suo anti-K° e viceversa ed esistono due altre particelle K a lungo e breve decadimento. Per la meccanica quantistica è come se K° e anti-K° e le due particelle K a lungo e corto decadimento esistessero in sovrapposizione, è come interpretare in una mappa l’orientamento nord come una sovrapposizione di nord-est e nord-ovest. L’influenza della forza debole agisce creando dei mixing angles che mescolano le proprietà di massa (materia e antimateria) e sapore che è la proprietà di quark e leptoni di presentarsi in diverse varietà. Per rappresentare questa proprietà i fisici impiegano la matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) con tre mixing angles ed una fase che descrive la natura dalla violazione CP; non è una spiegazione, ma un buon modello. Circa 4 anni fa poi, i fisici hanno prodotto in grande quantità un cugino più pesante del mesone K, il mesone B che oscilla anche lui fra diverse varietà di particelle e antiparticelle e viola anche la simmetria CP. Poiché il mesone B è più pesante del mesone K, e quindi possiede più energia, è più efficace per valutare gli effetti della forza debole sui quark e migliorare la precisione delle misure della matrice CKM. Le misure sono state eseguite presso il CERN di Ginevra, lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) della California, il KEK giapponese ed il Tevatron del Fermilab. Anche nei neutrini la forza debole produce oscillazioni. Per molto tempo si è supposto che i neutrini non avessero massa, ma poi, dalle osservazioni con il Super-Kamiokande giapponese, si scoprì che neutrini muoni cambiavano sapore trasformandosi in neutrini tau attraversando la Terra. Da questa oscillazione si concluse che i neutrini avevano massa e si spiegò la discrepanza fra valori teorici e misurati dei neutrini provenienti dal Sole. Anche per i neutrini si definì una matrice simile alla CKM dei quark e fu detta MNS (Maki-Nakagawa-Sakata), ma si pensava che i mixing angles dei neutrini fossero piccoli come quelli dei quark ed invece da un anno circa al Sudbury Neutrino Observatory (SNO) canadese si è scoperto che questi angoli sono grandi. Bisognerà prima misurare gli elementi della matrice MNS verificando le oscillazioni dei neutrini prodotti da un reattore nucleare con rivelatori posti a distanze diverse. La ricerca dovrà verificare se anche i neutrini violano la simmetria CP e questo potrebbe avere anche conseguenze su scala cosmica e si potrebbe scoprire che i neutrini coincidono con le loro antiparticelle.
Science, 13 Dec 2002, Vol. 298, pg. 2107 - Charles Seife - Un nuovo esperimento giapponese che misura fasci di antineutrini provenienti da reattori nucleari mostra che essi si comportano come i loro opposti, cioè i neutrini. L’esperimento avviene in una miniera di zinco in Kamioka, Giappone, e gli antineutrini sono generati nel decadimento di elementi radioattivi all’interno di reattori nucleari. Il rivelatore è costituito da una sfera da 1000 tonnellate di olio minerale e solvente organico noto come pseudocumene. Quando un elettrone neutrino colpisce un nucleo di idrogeno (un protone), il protone diventa un neutrone e l’antineutrino diventa un antielettrone in un processo detto decadimento inverso beta. Viene rivelato il flash prodotto dalle due particelle protone ed antielettrone che segnalano la sparizione dell’antineutrino. In 6 mesi di osservazioni sono stati rivelati 54 elettroni antineutrini, meno degli 87 previsti e la differenza indicava che gli elettroni antineutrini, dopo aver lasciato il reattore si erano trasformati in muoni o tau antineutrini. Ciò è coerente con quanto avviene con i neutrini solari, ma i ricercatori vogliono verificare se ci sono discrepanze di comportamento fra antineutrini e neutrini e quindi violazione della simmetria CPT. I fisici hanno provato questa violazione nell’ambito della forza forte, con quark e gluoni, ma questa è la prima occasione di provare la violazione di simmetria nell’ambito della forza debole, cioè con i neutrini. Con maggiori dati ed una migliore conoscenza delle proprietà del rivelatore si potrebbero determinare le differenze di massa fra due specie di neutrini. Il team di ricercatori spera anche di misurare i neutrini provenienti dalle profondità della Terra, prodotti dal decadimento degli elementi radioattivi che producono il calore terrestre. Il numero di neutrini così misurati darebbe ai geologi una misura della quantità di materiale radioattivo presente all’interno della Terra.
Science, 16 May 2003, Vol. 300, pg. 1076 - Adrian Cho - Grazie all’aiuto di nuovi più potenti computer, i fisici delle particelle forse potranno affrontare calcoli più precisi e fare predizioni più dettagliate nel Modello Standard che combina la forza forte fra i quark, la teoria dell’elettromagnetismo che tiene legati gli elettroni ai nuclei e la forza debole che provoca il decadimento radioattivo. Lo Standard Model considera la materia formata da elettroni, due tipi di quark ed una strana particella chiamata neutrino che emerge dal nucleo durante il decadimento radioattivo. In natura queste quattro particelle si ripetono altre due volte con particelle più pesanti che emergono solo durante le collisioni ad alta energia negli acceleratori come i quattro quark più pesanti noti come strange e charm e top e bottom. Queste particelle interagiscono scambiando altre particelle che convogliano le forze. Nei protoni e nei neutroni i quark up e down scambiano particelle dette gluoni portatori della forza forte. Altre due particelle più pesanti, i bosoni W e Z, convogliano la forza debole che governa il decadimento di quark più pesanti in quelli più leggeri, per esempio il quark bottom si trasforma nel charm emettendo il bosone W che a sua volta si trasforma in un elettrone ed in un neutrino. I fisici hanno stabilito una matrice di numeri, detta matrice CKM, con cui si fissano le frequenze con cui i quark più pesanti decadono in quelli più leggeri e, se le ipotesi sono corrette, certe combinazioni di questi numeri devono dare il 100%. La misura di questi numeri si può fare con gli acceleratori, lo SLAC della Cornell University, il KEK in Giappone ed il Fermi National Accelerator di Batavia, Illinois. Queste misure sono però difficili perché non si riescono ad isolare i quark sempre legati dai gluoni, gli stessi gluoni si scambiano, inoltre, per il principio di indeterminazione di Heisenberg, coppie quark antiquark compaiono e scompaiono formando un sottofondo detto brown muck. I teorici usano potenti computer per simulare il più probabile insieme di gluoni e quark e fanno delle semplificazioni simulando il sistema continuo con una griglia discreta di particelle, ma il sistema contiene sempre decine di milioni di variabili e questo metodo è noto come lattice QCD (quantum chromodynamics). Con questi progressi è ora possibile raggiungere, usando il metodo del lattice QCD, precisioni di alcuni percento ed i risultati si accordano con le misure più di quelli precedenti. Tuttavia ci sono sempre gli scettici che dubitano anche sulla validità della formulazione. I calcoli e le misure però vanno avanti e per i fisici il momento è estremamente gratificante.
Science, 22 Aug 2003, Vol. 301, pg. 1026 - Charles Seife - L’esperimento Belle presso l’impianto del KEK a Tsukuba in Giappone indaga sul decadimento del mesone B, particella di peso medio, che contiene un quark bottom, questo spontaneamente decade in due particelle massive: un quark top, la più pesante delle particelle fondamentali note, ed un bosone W, la particella massiva che trasporta la forza debole. W e top quark si trasformano in tre strange quark. Se la trasformazione viene rappresentata in un diagramma assomiglia vagamente ad un pinguino. Il modello Standard prevede in modo preciso la frequenza e le condizioni in cui avviene questo decadimento. L’esperimento del KEK è iniziato 4 anni fa facendo collidere elettroni e positroni e si sono creati 150 milioni di mesoni B. Lo stesso esperimento è in corso presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in California. Il parametro misurato, che rappresenta l’asimmetria fra materia e antimateria, è il sen(2beta) ed i primi dati dello SLAC avevano indicato un valore più basso di quello atteso, poi le misure dell’esperimento Belle avevano riportato i valori in linea con le previsioni. Recentemente però l’ultimo valore trovato risulta molto al di sotto degli altri ed indica uno scostamento di 3,5 sigma al di sotto del valore dello Standard Model. Prima di dichiarare l’annunzio di una nuova fisica bisognerà raccogliere altri dati sul decadimento dei mesoni B e le cose saranno forse più chiare fra un anno.
Science, 28 Nov 2003, Vol. 302, pg. 1497 - Adrian Cho - I ricercatori del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) in Batavia, Illinois, stanno usando l’enorme collisore Tevatron per studiare il sottile sbilanciamento di simmetria fra materia ed antimateria senza il quale l’universo sarebbe rimasto vuoto. Nel 2000 il management del laboratorio ha approvato i piani per un nuovo rivelatore detto BTeV capace di misurare le asimmetrie materia-antimateria in modo più accurato, ma il Department of Energy (DOE) non ha ancora chiesto al Congresso di finanziarne la costruzione ed ha solo posto il BTeV in una lista prioritaria di 28 progetti da finanziare nelle prossime due decadi. I ricercatori sono preoccupati perché se non si parte nel 2005 si rischia la competizione con il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra e si potrebbe dire addio alla fisica delle alte energie. Si sa che tutto ciò che esiste nell’universo deve la sua esistenza al fatto che materia ed antimateria non sono fra di loro l’esatto opposto. Lo sbilanciamento è ciò che si chiama violazione CP scoperta nel 1964 osservando il decadimento del mesone K che non era esattamente identico a quello del suo opposto anti-K. Secondo lo Standard Model oltre ai quark up e down vi sono altri sue set di particelle più massive: i quark charm e strange e quelli top e bottom. Il mesone K consiste in un antiquark strange ed in un quark up o down mentre il mesone B è formato da un antiquark bottom ed un quark up o down. Il decadimento di questi quark pesanti avviene con certe probabilità che i fisici descrivono con certi angoli che indicano in che misura materia ed antimateria sono fuori simmetria. Uno di questi angoli, detto beta, misurato dal decadimento del mesone B allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ed al centro di ricerche giapponese KEK, ha dato nel 2002 il valore atteso di 23 gradi. I ricercatori devono però misurare ancora altri due angoli, detti alfa e gamma, la cui somma con beta deve dare 180 gradi secondo il Modello Standard, ma una eventuale deviazione indicherebbe l’esistenza di nuove particelle predette dalla teoria della supersimmetria. Lo SLAC ed il KEK non sono in grado di produrre un numero sufficiente di mesoni B per provare queste deviazioni e da qui la necessità del nuovo rivelatore BTeV usando il Tevatron che produce molti più mesoni B¸ inoltre il Tevatron può produrre il mesone Bs, formato da un antiquark bottom ed un quark strange, che permette di misurare un altro angolo, il chi, non misurabile con il KEK e lo SLAC. I mesoni B, dal punto di collisione dove vengono generati, si spostano di diversi millimetri prima di decadere ed il BTeV è dotato di un pixel detector per analizzare il decadimento. Il competitore LHC del CERN produrrà 5 volte più mesoni B, ma il rivelatore per studiarli, detto LHCb, è meno efficiente perché, date le maggiori energie in gioco dovrebbe essere più grande. Su queste basi i ricercatori del Tevatron pensano di avere ancora un vantaggio se cominciano a raccogliere dati con il BTeV a partire dal 2009, 2 anni dopo l’inizio del Large Hadron Collider.
Science, 6 Feb 2004, Vol. 303, pg. 740 - Adrian Cho - Scienziati nucleari russi e degli USA hanno trovato due nuovi elementi della tabella periodica. Essi si disintegrano entro un secondo, ma la loro fuggevole vita suggerisce l’esistenza di un’isola di relativa stabilità già supposta teoricamente. I ricercatori sanno da lungo tempo che certi nuclei atomici sono più stabili di altri. Protoni e neutroni si dispongono secondo strati quanto-meccanici e certi numeri magici di protoni e neutroni conferiscono maggiore stabilità. Ad esempio 82 è un numero magico per i protoni e 126 lo è per i neutroni e con questi due numeri si forma l’elemento più pesante che non ha decadimento radioattivo (piombo 208). I teorici sospettano che il successivo numero magico sia per i neutroni 184 e per i protoni 114 e quindi nuclei superpesanti che hanno neutroni e protoni intorno a questi numeri dovrebbero essere relativamente stabili. Invece di disintegrarsi istantaneamente, in un processo che si chiama fissione spontanea, dovrebbero disintegrarsi più lentamente emettendo particelle alfa formate da due protoni e due neutroni. Presso il Lawrence Livermore National Laboratory, in California, e presso il Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russia, i team hanno creato quattro nuclei dell’elemento 115 facendo collidere ioni di calcio 48, aventi 20 protoni e 28 neutroni, su atomi di americio 243, aventi 95 protoni e 148 neutroni. In una frazione i secondo questi nuclei sono decaduti in un altro elemento 113 che sembra sia durato fino ad un secondo. Questi risultati aiutano a sviluppare una teoria più completa del nucleo. L’elemento costruito ha ancora una dozzina di neutroni in meno del numero magico 184 e, per raggiungere questo numero e centrare l’isola di stabilità, i ricercatori debbono accelerare e far collidere rari nuclei instabili e questo è lo scopo del Rare Isotope Accelerator (RIA) proposto dal National Superconductor Cyclotron Laboratory all’Università del Michigan.
Science, 21 May 2004, Vol. 304, pg. 1101 - Gretchen Vogel - Nell’agosto del 2002 i ricercatori del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia aprirono accidentalmente una valvola e 50 litri di pseudocumene (1,2,3-trimetilbenzene), sostanza chimica volatile additivo comune di vernici e benzina, sfuggirono nel sistema di drenaggio del laboratorio. La perdita fu subito contenuta e causò solo un piccolo danno ambientale forse la morte di qualche pesce e l’allarme di persone che ne avvertirono l’odore. Il risultato dell’inchiesta tuttavia ebbe serie conseguenze bloccando un progetto di lungo termine e ritardandone seriamente un altro. Un anno e mezzo dopo il lavoro, nel più grande laboratorio sotterraneo di fisica subatomica del mondo, è ritornato quasi normale, ma questa piccola perdita ha messo alla luce la vulnerabilità dell’impianto. L’inchiesta rivelò che il sistema progettato per rendere separati il sistema di drenaggio del laboratorio dal sistema idrico delle vicine città dell’Aquila e di Teramo non era efficace. Lo scorso gennaio il lavoro era ritornato normale in due dei tre laboratori, ma il terzo dove si faceva l’esperimento Borexino rimaneva precluso. Il Laboratorio del Gran Sasso è stato costruito nel decennio 1980 insieme ad una delle più lunghe gallerie autostradali d’Italia (10 km) aperta sotto la montagna del Gran Sasso alta 2912 m, 150 km a nord-est di Roma. Il Laboratorio è gestito dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ed impiega 65 persone che non hanno nessuna relazione con i residenti della zona. In questa occasione si capì l’importanza delle pubbliche relazioni e da allora il Laboratorio ha promosso facilitazioni per gli studenti delle locali scuole superiori nello studio dell’inglese e della fisica. Nel frattempo sono state impiantate nuove condotte per il sistema di drenaggio pagate dalla società autostradale. L’esperimento Borexino in collaborazione con l’università di Princeton, il cui scopo era di rivelare i neutrini prodotti nel nucleo solare, era stato fermato per 16 mesi quando era ad un anno e mezzo dal completamento. L’interruzione fu disastrosa per molti laureandi che lavoravano al progetto e molte persone dovettero abbandonare. Lo pseudocumene doveva riempire un serbatoio sferico di polimero da 300 tonnellate che produce un lampo di luce quando è colpito da un neutrino. Ora il serbatoio è stato gonfiato ed installato e si spera che il giudice dia l’autorizzazione a proseguire i lavori. Il progetto che è stato definitivamente bloccato è invece quello chiamato Gallium Neutrino Observatory (GNO) che rivela differenti tipi di neutrini usando 30 tonnellate di gallio; iniziato nel 1991 aveva ottenuto le prime prove della trasformazione dei neutrini nel loro percorso dal Sole, ma si prevedeva di raccogliere dati per altri 5 anni. La richiesta di rifare il pavimento del laboratorio significava smantellare e reinstallare l’apparecchiatura con un costo pesante e l’INFN decise di cancellate il progetto.
Science, 11 Jun 2004, Vol. 304, pg. 1580 - Charles Seife - Una nuova analisi sulle particelle elementari implica che il top quark sia un po’ più pesante di quanto previsto. Questa particella è la più pesante fra i sei quark che costituiscono particelle composte come protoni e neutroni. Gli scienziati possono valutare il peso del top quark usando la collisione fra protoni ed antiprotoni e studiando la cascata di particelle generate, incluse quelle prodotte dal top quark creato dall’energia della collisione. I dati precedenti raccolti dal Tevatron del National Accelerator Laboratory fornivano una massa di 174 GeV. Questa settimana l’esperimento D0 del Tevatron, con una nuova tecnica matematica per analizzare i dati della collisione, ha fornito una massa di 178 GeV con meno di una standard deviation in più del valore medio precedente. Anche questa piccola differenza può però avere un grande effetto sulle aspettative delle particelle ancora da scoprire come il bosone di Higgs. Se si misura il top quark si stabiliscono anche dei limiti sul valore della particella di Higgs ed 1 GeV di aumento della massa del top quark comporta 5 GeV di spostamento nella massa del bosone di Higgs. La nuova analisi porta a 117 GeV la massa di Higgs quasi al limite delle capacità dei precedenti esperimenti. I teorici si aspettano però che il Large Hadron Collider, in costruzione presso il CERN di Ginevra entro la fine del decennio, sarà in grado di scoprirlo.
Science, 16 Jul 2004, Vol. 305, pg. 325 - Dennis Normile - Nel 1998 il gruppo del Super-Kamiokande in Giappone dimostrò che i neutrini hanno una massa e cambiavano tipo (sapore). Dopo 6 anni ed una gran massa di dati raccolti dal Super-K si è scoperto un altro aspetto: i neutrini possono ricambiare ancora. Sono nati così nuovi modelli per spiegare queste oscillazioni. I neutrini si possono trovare in tre “sapori” muoni, elettroni e tau. Il Super-K ha iniziato a misurare i neutrini muoni prodotti nell’atmosfera dai raggi cosmici. Questi neutrini vengono rivelati quando colpiscono un protone nel rivelatore formato da 50000 ton di acqua sepolta in una miniera del Giappone. Il rivelatore misurava un maggior numero di neutrini provenienti direttamente dall’atmosfera rispetto a quelli che provenivano dall’altra parte della terra dopo averla attraversata dimostrando che una parte si era trasformata nel sapore tau che il rivelatore non vedeva. La probabilità che un neutrino cambi sapore è funzione del rapporto fra la distanza percorsa L e la sua energia E; più lungo è il percorso più alta è quindi la probabilità che possa oscillare. In teoria il numero di neutrini che raggiungono il rivelatore traccerà i picchi e le valli di una classica sinusoide in funzione della distanza percorsa. L’analisi dei dati ha mostrato l’attesa dipendenza dal rapporto L/E. La ricomparsa dei neutrini muoni ha fatto cadere la teoria che il deficit di neutrini fosse dovuto al loro decadimento in altre particelle ed ha migliorato il valore della differenza fra i quadrati delle masse dei due sapori e le probabilità con cui essi oscillano. Una misura accurata di questi parametri richiederà ancora molti anni di misure con il Super-K.
Science, 11 Mar 2005, Vol. 307, pg. 1543 - Charles Seife - La scorsa settimana un nuovo esperimento al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ha iniziato ad inviare neutrini da un acceleratore ad un rivelatore posto in profondità in una miniera di ferro del Minnesota. Il sistema noto come NuMI/MIMOS surclasserà quello simile del Giappone e porrà limiti più stringenti su parecchie proprietà dei misteriosi neutrini. Entro pochi anni dall’inizio della sua andata in servizio, il rivelatore misurerà circa 10000 eventi mentre il giapponese K2K ha contato negli ultimi 6 anni circa 100 eventi ed entro la prossima estate si avranno quindi risultati comparabili ed anche migliori del K2K. Con il lancio di questo progetto il Fermilab si è posto in prima linea, il NuMI crea neutrini muoni che occasionalmente cambiano varietà (oscillano) in altri tipi di neutrini. Per creare questi neutrini muoni si lanciano protoni ad alta energia su un bersaglio di grafite. Nell’urto si creano pioni che vengono focalizzati in un fascio con due horn magnetici e rilasciano neutrini muoni quando decadono. I neutrini, che interagiscono poco con la materia, attraversano il sottosuolo fino alla miniera del Minnesota dove c’è il rivelatore MINOS e poi si disperdono. Poche volte al giorno il rivelatore, formato da un blocco di 6000 tonnellate di lastre di acciaio con interposti pannelli di scintillatori e ben schermato dai raggi cosmici da chilometri di roccia, catturerà un neutrino ed emetterà un muone che nel passaggio ecciterà gli scintillatori e da queste tracce gli scienziati potranno scoprire le proprietà del neutrino che le ha creato. Qualche volta il fascio proveniente dal Fermilab porterà dei neutrini elettroni o neutrini tau prodotti dalle oscillazioni e, paragonando il numero dei neutrini muoni con quello degli altri due tipi, si potrà misurare la frequenza della trasformazione di “sapore”. Questa frequenza rivelerà la differenza di massa fra le due varietà di neutrini come anche il valore di uno dei mixing angle, una delle caratteristiche fondamentali dei neutrini. A causa del gran numero di neutrini prodotti dal Fermilab i fisici credono che presto si raccoglieranno sui neutrini più informazioni di quanto ottenuto in passato. Al Fermilab si pensa già al prossimo progetto, quello noto come International Linear Collider (ILC), che sarà la chiave del futuro nella fisica delle particelle.
Science, 21 Jul 2006, Vol. 313, pg. 291 - Richard Stone - In una caverna scavata nel granito lungo il tunnel che collega il distretto degli affari di Hong Kong con la zona residenziale di Aberdeen, sta iniziando il Daya Bay Neutrino Experiment, un insieme di rivelatori finanziato lo scorso mese dal governo cinese con 6,25 milioni di US$. Con questo esperimento, ed altri quattro simili nel mondo, si cerca una risposta sul perché nell’universo ci sia più materia che antimateria misurando le proprietà fondamentali dei neutrini che interagiscono così poco con la materia. Nella scorsa decade si è avuta conferma che i neutrini hanno una massa anche se piccola ed oscillano fra i tre “sapori” diversi: elettrone, muone e tau. I fisici hanno specificato quattro proprietà misurabili: 3 “mixing angles” ed il valore della “charge-conjugate” parity (CP) . Due degli angoli sono noti dallo studio dei neutrini del Sole, dell’atmosfera, dei reattori e degli acceleratori. Per il terzo angolo si è stabilito solo un limite superiore, mentre il CP rimane un enigma. Se i neutrini violano la parità CP, questo potrebbe spiegare perché l’antimateria è così scarsa. Con i quark si è provata la violazione della parità, ma ciò non è sufficiente. Per andare oltre è necessario provare la violazione della parità CP dei neutrini e per prima cosa misurare il terzo angolo (theta13). A Daya Bay si usa la vicina centrale nucleare la cui reazione produce un flusso di antineutrini elettroni. Tutti questi esperimenti misureranno il flusso di antineutrini ed avranno un uguale rivelatore ad una certa distanza che misurerà uno scarto perché l’oscillazione avrà trasformato alcuni antineutrini elettroni che non saranno per questo rivelabili. Secondo i teorici il seno quadrato di 2(theta 13) deve essere compreso fra 0,19 e 0,01. I rivelatori sono costituiti da grandi recipienti riempiti di una soluzione contenente gadolinio e sono schermati dalle rocce della caverna dagli altri disturbi e dai muoni dei raggi cosmici che possono però superare la schermatura e quindi bisogna imparare a distinguere. Il sistema Daya Bay non sarà il primo. Il prossimo anno ci sarà il francese Double Chooz. Il team giapponese KASKA sfrutterà poi un più potente sistema di reattori che si trova vicino Niigata. Il Daya Bay conta però di raggiungere l’obiettivo di 0,01 entro tre anni dall’inizio, tuttavia non si sa quanto saranno sensibili gli esperimenti e c’è anche la possibilità che le previsioni dei limiti siano sbagliate e theta13 possa essere più piccolo ed anche zero. In questo caso ci si troverebbe di fronte ad una nuova fisica e sarebbe sempre un successo.
Science, 4 July 2008, Vol. 321, pg. 34 - Adrian Cho - Fisici degli Stati Uniti e dell’Italia hanno proposto uno strano progetto. Usare parti di un vecchio collisore di particelle per costruirne uno nuovo che possa fornire dati 100 volte più velocemente della macchina originale, consumare meno potenza e prevedere nuove particelle di grande massa che nessun collisore esistente può produrre. Questo progetto è chiamato SuperB e non è il solo. I fisici giapponesi progettano di migliorare una loro macchina con lo stesso scopo. SuperB verrà costruito all’Università di Roma, Tor Vergata, presso il Laboratorio Nazionale di Frascati, nell’Italia centrale ed i suoi componenti principali verranno dal collisore PEP-II dello Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) di Menlo Park, California, che è stato disattivato ad aprile, donati dal Department of Energy (DOE). Il SuperB fa collidere elettroni con positroni a basse energie e produce un flusso di particelle note dal cui decadimento si potrebbero dedurre novità nella fisica e riscrivere il modello standard. Il SuperB ha come competitore il collisore KEKB ed il rivelatore di particelle Belle giapponese nel laboratorio KEK della Tsukuba. Qui si vuole creare il Super KEKB, ma il governo non ha ancora dato il suo consenso. Poiché massa ed energia sono equivalenti, i fisici possono creare nuove particelle di grande massa facendo collidere altre note ad alta energia. Si possono però creare particelle di massa minore, parti fondamentali della materia come i quark. Questi possono essere di “sapori” diversi: charm, strange, top e bottom. Se si osserva il decadimento del mesone B, costituito da un quark bottom di grande massa e da un più leggero antiquark, per le incertezze della meccanica quantistica, dal suo decadimento possono crearsi particelle virtuali anche più massive. I fisici hanno già utilizzato questo approccio e, nel decennio 1980, gli studi sui mesoni B, che sono 5 volte più pesanti del protone, hanno indicato che il top quark era più pesante di quanto prima ipotizzato e ciò fu verificato nel 1995 quando fu trovato con una massa di 180 volte quella del protone. Sia il KEKB che lo SLAC PEP II sono stati costruiti per questi scopi e dal 1999 le fabbriche di mesoni B li hanno prodotti in grande quantità anche per studiare la piccola asimmetria con l’anti-B mesone, nota come violazione della charge-parity (CP). Fu insieme soddisfazione e disappunto per i fisici il constatare che una così piccola violazione di CP spiegava come nell’universo esistesse solo materia e non antimateria. Ambedue i team del SuperB e KEKB vogliono una fabbrica più potente di mesoni B ed anche di mesoni D e leptoni tau, cugini più pesanti degli elettroni con cui fare prove più precise sul modello standard e sulla violazione CP rivelando decadimenti più rari. Questi studi saranno di complemento al programma LHC che cercherà direttamente le nuove particelle. I gruppi SuperB e KEK hanno approcci differenti. Ambedue PEP II e KEKB hanno due acceleratori circolari, uno per gli elettroni in una direzione e l’altro per i positroni nella direzione opposta. I fisici del KEK vogliono usare la forza bruta aumentando la corrente degli elettroni da 1,2 amp a 4,1 amp e quella dei positroni da 1,6 a 9,4 amp e vogliono ridurre le dimensioni dei fasci. Prima che il KEKB venga disattivato, probabilmente nel 2010, avrà creato un miliardo di coppie B-anti-B. il Super KEKB le produrrà 10 volte più rapidamente fino a 50 miliardi. Il SuperB userà invece fasci molto compressi, aumentando la frequenza a cui collideranno elettroni e positroni, caratteristica che è chiamata luminosità e sarà 100 volte più grande a pari corrente di fascio. Il fascio del SuperB sarà di 35 nm di diametro e per questo bisognerà ben focalizzare i magneti e si prenderà a prestito la tecnologia per comprimere i fasci proposta per l’International Linear Collider, il progetto da molti miliardi di dollari che dovrà studiare in dettaglio le particelle scoperte con LHC. Per limitare il costo del SuperB a 500 milioni di US$, i ricercatori riutilizzeranno hardware dello SLAC e si aspetta una formale richiesta da parte dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano. Ambedue i progetti hanno i loro aspetti favorevoli e contrari. Il Super KEKB non ha problemi concettuali, ma fare circolare correnti di 10 amp rappresenta una sfida, la potenza richiesta può raggiungere gli 80 megawatt ed il costo operativo i 10 milioni di dollari. Al contrario la potenza richiesta dal SuperB è di soli 20 megawatt, ma il punto critico è che bisogna limitare le vibrazioni al punto di collisione a 3 nanometri. Politicamente i membri del team SuperB devono chiedere al governo italiano cento milioni di euri per costruire un nuovo laboratorio dove installare il collider e devono preparare un progetto dettagliato agli inizi del prossimo anno. Al contrario i ricercatori del KEK hanno già laboratorio e apparecchiature, ma devono attendere il 2010 quando verrà disattivato il KEKB e costruire in 3 anni il Super KEKB. Ci sono inoltre limiti ai finanziamenti nella fisica delle particelle in tutte le comunità e forse ci si potrà permettere solo una di queste fabbriche di mesoni B, alla fine vincerà la nazione che vorrà mettere più denaro in questo progetto. Italia o Giappone?
Science, 18 July 2008, Vol. 321, pg. 328 - Adrian Cho - La prossima settimana il Department of Energy (DOE) USA accetterà la proposta per una Facility (impianto) per Rare Isotope Beams (FRIB), un acceleratore che produca isotopi mai realizzati al di fuori delle esplosioni stellari. C. Konrad Gelbke, un fisico nucleare della Michigan State University, ed i suoi colleghi vogliono realizzare questo impianto al National Superconducting Cyclotron Laboratory dello Stato del Michigan (NSCL) con 300 impiegati ed un budget annuo di 20 milioni di US$ dalla National Science Foundation (NSF). In concorrenza sono i ricercatori dell’Argonne National Laboratory, Illinois, pure laboratorio del DOE che pure vogliono ospitare la macchina. FRIB è il secondo progetto di una macchina che possa rivelare il luogo di nascita di molti elementi pesanti e definire una teoria unificata per i nuclei grandi e piccoli. Gli scienziati sanno che più delle metà degli elementi più pesanti del ferro hanno origine nelle esplosioni stellari mediante il cosiddetto r-process nel quale i nuclei leggeri assorbono neutroni. FRIB vuole realizzare alcuni di questi nuclei intermedi che aiutino a stabilire dove e quando ha luogo lo r-process durante le esplosioni stellari. I ricercatori hanno iniziato a pianificare questa macchina nel 1999 chiamandola Rare Isotope Accelerator (RIA). Il cuore è un acceleratore lineare a superconduttori che accelera nuclei dall’idrogeno all’uranio con un costo obiettivo di un miliardo di US$. Il DOE ha però chiesto una soluzione più economica e specifica. Il nuovo progetto, FRIB, accentua una caratteristica del processo, cioè l’accelerazione e la macchina produrrà nuclei esotici con una frequenza 100 volte più alta di altre simili macchine in Giappone e Germania. Il DOE spera di iniziare la costruzione nel 2013 e finire entro 5 anni, ma questo dipende dal budget. Il DOE ha richiesto 7 milioni di US$ per il progetto nel 2009, ma dipenderà dal Congresso e dalla nuova Amministrazione.
Science, 12 Dec 2008, Vol. 322, pg. 1639 - Sean Hartnoll - La teoria delle stringhe è stata formulata per la prima volta nel decennio 1970 con lo scopo di spiegare gli aspetti delle interazioni forti fra le particelle fisiche. Le stringhe erano legami di energia che collegavano quark ed antiquark per formare le particelle subatomiche dette mesoni. Questa teoria iniziale tuttavia non ebbe successo e si trasformò in quella a 10 dimensioni nello spaziotempo, come teoria che unificava la gravità quantistica a metà del decennio 1980. Recentemente sono andati crescendo gli studi sulla teoria delle stringhe includendo la fisica della materia solida. Questo spostamento è stato possibile con il recente sviluppo della branca matematica nota come corrispondenza olografica o anche come anti-De Sitter/corrispondenza della Teoria di Campo Conforme (o AdS/CFT). Essa collega la teoria generale di Einstein della relatività alla meccanica quantistica ed afferma che la teoria delle stringhe a 10 o 11 dimensioni può essere equivalente alla teoria su quattro dimensioni dello spaziotempo in cui viviamo. Questa corrispondenza è detta olografica in analogia con un ologramma in cui un’immagine tridimensionale è immagazzinata in una superficie bidimensionale. Attraverso la corrispondenza olografica, le molte dimensioni della teoria sono codificate in una teoria a minor numero di dimensioni che apparentemente non ha nulla a che fare con le stringhe. I sistemi quantistici critici e la teoria delle stringhe assiemata olograficamente hanno in comune la caratteristica dell’invarianza di scala per cui il sistema risponde allo stesso modo in qualsiasi scala di energia e distanza. Un esempio di criticità quantistica si trova nella transizione superconduttore-isolante che si osserva nei film sottili a temperatura zero quando si varia lo spessore del film. Nel punto critico quantistico il film non è né superconduttore né perfetto isolante, ma ha una resistività finita. Il comportamento quantistico critico è stato osservato in molti sistemi e si crede che abbia un ruolo importante nella superconduttività ad alta temperatura. La corrispondenza olografica ha come immediata conseguenza una descrizione duale della materia solida. Certe questioni sono più semplici da affrontare con il metodo duale. Una ragione è che l’invarianza di scala è insita nella teoria delle stringhe ed un’altra è che, mentre il sistema all’origine è fortemente quanto meccanico, la descrizione duale può essere puramente classica. Si sono cominciati ad applicare i metodi della teoria delle stringhe ai fenomeni della materia solida. Due esempi sono i superconduttori olografici ed i punti critici quantistici non relativistici. Queste descrizioni includono oggetti relativistici come i buchi neri e le onde piane gravitazionali analoghe alla radiazione elettromagnetica. La descrizione duale si applica alla superconduttività a bassa temperatura con la formazione di coppie di elettroni (BCS theory) ed a quella ad alta temperatura con accoppiamento critico quantistico che può essere trattabile con il calcolo. Nel campo della fisica fondamentale, la teoria delle stringhe si estende dagli elettroni nei metalli ai buchi neri e all’esistenza del multiverso, sfruttando il concetto unificatore della corrispondenza olografica.