Date un po' di nuova fisica a quei fisici!

Non se ne può più di queste fluttuazioni statistiche!

Il 15 dicembre 2015 al CERN di Ginevra gli esperimenti ATLAS e CMS hanno presentato in anteprima i risultati, ancora preliminari, dal periodo di presa dati del 2015 appena concluso a LHC. Una raccolta dati caratterizzata da un energia dell'acceleratore di 13 TeV, mai raggiunta prima in qualunque acceleratore di particelle.

Energie elevate in fisica delle particelle significa esplorare dimensioni spaziali sempre più piccole, e avere la possibilità di scoprire fenomeni nuovi. L'auditorio del CERN era gremito come per le grandi occasioni, sia per l'importanza dell'evento, ma in particolare per un motivo: si era sparsa la voce (i fisici vogliono mantenere il segreto fino alla fine ma poi non resistono) che entrambi gli esperimenti avessero un misterioso "picco" nei dati a una massa di circa 750 GeV. 

Cos'è un "picco", e perché entusiasma tanto i fisici? Quello a cui si riferivano le voci, rivelatesi poi vere, è un eccesso di dati rispetto al fondo nel numero di coppie di fotoni aventi una "massa invariante" (una quantità definita nella teoria della relatività) pari a circa 750 GeV, che corrisponde grosso modo a 800 volte la massa di un protone. Un picco di questo tipo è la classica indicazione della presenza, all'interno dei dati, della produzione di un qualche tipo di particella, di massa pari alla posizione del picco (in questo caso 750 GeV). In questo caso l'eventuale particella si manifesterebbe sotto forma di due fotoni. 

In pratica questa eventuale particella verrebbe prodotta all'interno degli urti fra i protoni di LHC per un tempo troppo breve per essere evidenziata come tale, e si trasformerebbe immediatamente in due fotoni. La misura della massa invariante dei due fotoni, una quantità che dipende dai loro impulsi e dalle loro direzioni, fornisce una stima della massa dell'ipotetica particella, dalla vita troppo effimera per essere osservata direttamente. Se questo avviene un numero sufficientemente elevato di volte, tutto ciò appare come un picco, una "bozza" sopra il fondo, posizionata attorno al valore della massa a riposo della particella. La storia della fisica delle particelle è piena di scoperte di picchi di questo tipo, che in gergo si chiamano "risonanze".

Perché quindi tanta eccitazione? Perché nessuna teoria al momento prevede l'esistenza di una particella di massa pari a 750 GeV. O meglio, nessuna teoria nota. Quindi osservare un picco di questo tipo significherebbe osservare un fenomeno radicalmente nuovo, non contemplato nelle nostre conoscenze di fisica fondamentale.  Potrebbe essere la finestra su una nuova classe di fenomeni, e potrebbe obbligarci ad aprire un nuovo capitolo della fisica. Sarebbe insomma una scoperta molto importante.

Il problema è che questi "picchi" osservati da ATLAS e CMS, e presentati pubblicamente alla comunità scientifica per la prima volta a questo seminario, non sono proprio così evidenti. Non sono dei "signori picchi"; che uno li vede e dice "cavolo! che taglia ho per il frac da portare a Stoccolma?" Sono dei picchi "vorrei ma non posso". Potrebbero tranquillamente essere fluttuazioni statistiche del fondo, a simularci una risonanza, a farcela immaginare, e farci credere di aver scoperto qualcosa di importante. Potrebbero tranquillamente essere dovuti a normali fenomeni conosciuti che, a causa di una comunissima fluttuazione casuale, si ammucchiano per caso attorno a una massa a caso (750 GeV è un numero come un altro) e ci fanno credere che lì ci sia una risonanza, una nuova particella. "Fluttuazioni statistiche bastarde!", intitolerebbe Libero!

I fisici hanno però un modo per valutare quanto sono credibili questi picchi. Non è che li guardano e dicono "Bello, per me è un sì", oppure "Mmmmf, se fosse un po' più bombato, ma così stretto non mi fido". Ci sono metodi statistici che sono indipendenti dall'umore, dal sentimento e dai pregiudizi di chi li guarda. Devono essere così, altrimenti si rischierebbe di prendere enormi cantonate, cosa che a volte succede lo stesso, perché ci si innamora del proprio picco, anche quando è chiaro che ci sta prendendo in giro.

Esiste in particolare un criterio, che si chiama Look Elsewhere Effect (l'effetto "guarda altrove"), di cui ho già parlato qui, che sostanzialmente tiene conto del fatto che se cerchiamo un eccesso rispetto al fondo (il nostro picco) da qualche parte in un istogramma, questo eccesso potrebbe apparire ovunque a causa di una fluttuazione statistica. Il fatto che lo abbiamo osservato proprio lì è qualcosa che avviene a posteriori. Poteva essere più a sinistra, o tutto dall'altra parte, e sarebbe stato uguale. E questo ne attenua la sua significatività, cioè rende più probabile che sia una semplice fluttuazione del fondo (fluttuazione bastarda!). 

Tenendo conto del Look Elsewhere Effect i picchi di ATLAS e CMS perdono di importanza rispetto a quello che appaiono ad un'analisi statistica che valuti semplicemente la probabilità di una fluttuazione del fondo in quel punto, ma restano comunque. Perdono di significatività ma non la perdono del tutto.

Non la perdono del tutto anche perché sono entrambi allo stesso valore di massa, ovvero circa 750 GeV, in due esperimenti diversi. Sebbene nessuna persona sana di mente penserebbe di avere scoperto qualcosa di fondamentale guardano singolarmente i grafici dei due esperimenti, tuttavia il fatto che siano entrambi allo stesso valore di massa li rende molto più interessanti. Però potrebbe anche questo essere il risultato di una (bastarda) fluttuazione statistica. E i fisici in crisi da astinenza da nuova fisica possono cascarci.

Perché il punto è proprio questo: i fisici delle particelle hanno bisogno di nuova fisica. Così come di certi si dice che hanno un disperato bisogno di una donna (o di un uomo, non vorrei sembrare sessista), i fisici delle particelle hanno un disperato bisogno di nuova fisica (e anche di una donna, a volte, ma questo non c'entra).

Infatti la fisica delle particelle è arrivata ad una situazione strana. Da un lato c'è una teoria, chiamata Modello Standard, che descrive e prevede con grande precisione tutta la fenomenologia delle particelle osservabile negli esperimenti, con un accordo fra teoria e esperimento in alcuni casi veramente eccezionale. 

Dall'altro esistono innumerevoli indizi (oltre che convinzioni teoriche) che il Modello Standard non possa essere che un'approssimazione del comportamento della natura. Un'approssimazione molto buona fino alle energie testate finora negli esperimenti, ma non utilizzabile in assoluto, così come la teoria di Newton è un'ottima approssimazione qui sulla terra, ma se andiamo su stelle dal campo gravitazionale molto intenso essa smette di funzionare bene, e bisogna usare la relatività di Einstein. Ci sono indizi molto forti, e in certi casi chiare evidenze, che devono esistere fenomeni radicalmente nuovi e non ancora scoperti. Fenomeni non contemplati nelle teorie attuali.

Sappiamo ad esempio che esiste la materia oscura nell'universo, ma non sappiamo di cosa sia fatta. Sappiamo solo che non è fatta delle particelle che conosciamo. Sappiamo poi che i neutrini hanno massa, e questo nasconde fenomeni non descritti nel Modello Standard. Sappiamo che l'antimateria è sostanzialmente scomparsa nell'universo fin da subito, ma non sappiamo perché, e quale meccanismo ne sia stato responsabile, dato che osserviamo che le leggi della natura praticamente non distinguono fra materia e antimateria. Sappiamo che la teoria di cui disponiamo, assieme alla meccanica quantistica, prevederebbe un'energia del vuoto spaventosa, qualcosa come 120 ordini di grandezza più grande di quanto si osservi effettivamente. E 120 ordini di grandezza di differenza non possono essere un errore sperimentale o una svista in un calcolo (alla faccia!). Vuol dire che c'è qualcosa che manca, qualcosa di profondamente sbagliato nella teoria, quella stessa teoria che però ci descrive alla perfezione tutti i fenomeni che osserviamo nei nostri esperimenti.  Deve esserci qualcosa di cui non abbiamo tenuto conto, ma non sappiamo cosa. O meglio, pensavamo di saperlo, e lo avevamo chiamato "Supersimmetria", ma la Supersimmetria non si trova, e più passa il tempo, più essa si avvicina pericolosamente al cestino delle teorie non confermate dagli esperimenti. Sappiamo poi che potrebbe esistere un'energia che riempie lo spazio e respinge la materia, accelerando l'espansione dell'universo. Già solo il nome che le è stato dato, "Energia Oscura", la dice lunga sul fatto che non abbiamo idea di che cosa sia. 

E quindi i fisici credono fortemente che debba esistere della nuova fisica, ancora sconosciuta, oltre al Modello Standard.

Ma non la trovano. 

E poi esiste un altro motivo che, a mio parere, renderebbe la scoperta di nuova fisica qualcosa di importantissimo.

Gli esperimenti di fisica delle particelle oggi sono molto complessi, e richiedono sforzi umani e economici congiunti e prolungati nel tempo. Non è più come negli anni 60 e 70, in cui fra teoria che ipotizzava e esperimento (realizzato da poche persone) che confermava (o smentiva) l'ipotesi passava al massimo qualche anno. E' ormai lontano il periodo in cui ogni qualche anno si apriva un nuovo ventaglio di fenomeni da esplorare.

Oggi questo non accade più, perché i progetti scientifici in questo campo sono molto complessi. Per costruire LHC si sono impiegati più di 10 anni (molto di più in realtà, se si considera da quando si è iniziato a parlare di LHC), e il progetto va avanti già da 5 anni, E un nuovo progetto, che sia un acceleratore o un esperimento complesso, richiederebbe comunque molti anni di preparazione. 

Si rischia quindi di interrompere quello che è il motore della scienza: l'interscambio fra teoria e esperimento. Ovvero i teorici che ipotizzano, gli sperimentali che verificano, o eventualmente smentiscono, e scoprono cose nuove che permettono ai teorici di ipotizzare nuove teorie, e così via. Mentre infatti per i teorici in linea di principio non c'è limite alla fantasia, per gli sperimentali esistono vincoli concreti che impediscono di realizzare in tempi "ragionevoli" i test necessari a validare o smentire la teoria. E alla fine se ai teorici non arriva nessun nuovo input, la loro fantasia da sola serve a poco. E questo rischia di essere, a mio pare, una catastrofe.

Perché se LHC non dovesse scoprire nessun segnale di nuova fisica, che, sottolineo, sappiamo deve esistere, si rischia di far passare anni, forse decenni prima di averne di nuovo l'opportunità. Bisognerà inventare tecniche nuove, esperimenti nuovi in settori alternativi, per cercare prove di nuovi fenomeni, perché la strada finora ritenuta maestra, cioè l'osservazione diretta negli acceleratori, rischia di non essere più possibile, o per lo meno molto difficile.

Quindi speriamo che con la ripresa di LHC la prossima primavera quell'abbozzo di picco che ATLAS e CMS vedono allo stesso valore di massa si concretizzi in una scoperta, Non importa di cosa. Che sia un gravitone, una particella supersimmetrica, o qualcosa di assolutamente nuovo e sconosciuto (io spererei per questa opzione, già che ci siamo), purché si scopra qualcosa che dia nuova fisica a questi ragazzi, me compreso, perché altrimenti li vedo male.