martedì 18 dicembre 2018

Comunicare con gli alieni

Una doverosa premessa: alcune delle cose che leggerete qua sotto le ho imparate da un collega e amico, l'astrofisico Sandro Bardelli, che ringrazio per avermi portato a conoscenza di certi gossip.  I commenti e le considerazioni sono invece soltanto miei.

L'argomento è come comunicare con gli alieni. Supponiamo che da qualche parte nell'universo ci sia qualche civiltà aliena capace di intendere e di volere, e che conosca le basi dell'elettromagnetismo, tanto da saper costruire antenne ricetrasmittenti: potremmo comunicare con loro? E soprattutto, cosa gli diremmo?

Intanto c'è un problema di tempi. Della serie "cogli l'attimo". Per capirci, se una civiltà aliena tecnologica relativamente vicina a noi, diciamo 10 anni luce, avesse mandato un messaggio in giro per la galassia mettiamo 150 anni fa, noi non ce ne saremmo accorti, perché all'epoca le equazioni di Maxwell, ovvero le basi dell'elettromagnetismo, ancora non si trovavano nemmeno sui libri di scuola. Quel messaggio, inviato sotto forma di onda elettromagnetica, sarebbe passato sulla terra completamente ignorato dagli umani dell'epoca. E quindi magari potrebbe accadere anche a noi una cosa del genere: troviamo un pianeta promettente, con l'atmosfera giusta, le dimensioni giuste, la distanza giusta dal suo Sole, gli mandiamo un segnale del tipo "ciao, noi amici, noi volere sapere come voi fatti" (con gli alieni conviene parlare all'infinito, evitando futuri anteriori e trapassati prossimi per facilitare la comprensione), e loro invece magari sono ancora lì a smazzolarsi con le clave, o a posizionare pietroni di granito da 200 tonnellate uno sopra l'altro per sapere che giorno è.

L'alternativa più probabile, allo stato attuale delle cose, è invece che ci sia qualcuno capace di ricevere il messaggio, ma che non risponda, perché dopo 20 anni di Radio Maria hanno bannato tutte le frequenze provenienti dalla terra, come si fa con quelli che ti vogliono vendere i filtri dell'acqua per il rubinetto,  che dopo la prima volta che ti chiamano registri subito il numero nella blacklist del cellulare, e non rispondi più. 

Inoltre il punto è: quanto vive una civiltà tecnologica? Noi lo siamo più o meno da un centinaio di anni. Ma ci saremo fra, mettiamo, 500 anni? 1000 anni? O avremo esaurito tutte le risorse del pianeta? Io, onestamente, non me la sento di scommettere sul futuro dell'umanità in un tempo maggiore del secolo. Invidio gli ottimisti, in questo senso. Quindi può darsi che il messaggio, seppure in linea di principio comprensibile da una presunta civiltà aliena, arrivi (o magari CI arrivi) troppo tardi quando ormai quella civiltà si è estinta o comunque ha altri problemi più seri che captare frequenze in giro per l'universo.

E poi una conversazione con un extraterrestre fatta in questo modo non sarebbe proprio agevole. La nostra galassia, tanto per restare vicino casa, ha un diametro di 100000 anni luce. Vuol dire che se inviamo un segnale da un lato all'altro della galassia, questo ci mette 100000 anni ad arrivare. Ma senza andare così distante, supponiamo che ci sia qualcuno a 20 anni luce da noi. Inviamo il segnale: "pronto, mi senti? C'è qualcuno? Passo" (è importante dire "passo", altrimenti c'è il rischio che gli alieni stiano li ad aspettare che la frase sia conclusa, e non ti rispondono). Passano 20 anni, e gli alieni rispondono. Però la loro risposta arriva dopo altri 20 anni, cioè 40 dal nostro invio. A quel punto captiamo: "zxcrzz sxzzzcr scusi può ripetere? Il segnale è crzcrzurbato! Passo.". Insomma, non ne verrebbe fuori un dialogo molto articolato.

Altro aspetto interessante è che tipo di segnale inviare agli eventuali alieni, che in pratica significa anche chiedersi che caratteristiche potrebbe avere un eventuale segnale inviato da alieni. Innanzitutto, inviare segnali in tutte le direzioni implicherebbe disporre di una potenza stratosferica, e quindi bisognerebbe decidere a priori in che direzione inviare il segnale, scegliendo stelle promettenti, che quindi potrebbero avere pianeti promettenti per la vita intelligente.

E poi che frequenza usare per non confondersi con il fondo? L'universo è pieno di radiazioni elettromagnetiche di tutti i tipi. Non solo, l'interazione del segnale inviato con la materia che incontrerebbe lungo il percorso potrebbe modificarlo, assorbirlo, attenuarlo, diffonderlo etc, con il risultato di non farlo arrivare a destinazione.

Gli astronomi hanno individuato la frequenza ideale di 1,420 GHz, che è la frequenza dell'idrogeno neutro. Questa frequenza corrisponde a una lunghezza d'onda di circa 21 cm, e è quella che viene assorbita o emessa dall'idrogeno neutro quando l'elettrone dell'atomo di idrogeno inverte il suo spin. Questa transizione energetica si chiama in gergo "transizione iperfine", e la sua frequenza (o lunghezza d'onda) è calcolata con estrema precisione dall'elettrodinamica quantistica. Questo tipo di radiazione elettromagnetica è comunemente utilizzata per identificare la presenza di nubi di idrogeno nell'universo. Questo aumenta anche la probabilità che un segnale con questa frequenza venga captato per caso. Il progetto SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) utilizza questa tecnica.

Nel 1974 venne usato il radiotelescopio di Arecibo per inviare un messaggio in codice a ipotetici alieni. Il messaggio, di 1679 bit in totale,  fu trasmesso verso M13, un ammasso globulare distante circa 25000 anni luce dalla terra. La sequenza di 0 e 1 che costituiva il messaggio era una matrice 23 × 73, che conteneva dati sulla nostra posizione nel sistema solare, la figura stilizzata di un essere umano, la forma a elica del DNA, ed il contorno del radiotelescopio stesso. La matrice 23 × 73 fu scelta perché 23 e 73 sono numeri primi, e in base a algoritmi mentali che personalmente non comprendo, questo avrebbe dovuto destare l'attenzione degli alieni nei confronti di questa serie di bit in arrivo. Il tutto, bisogna dire, non aveva pretese troppo serie, ma era una specie di tentativo simbolico.

Che non avesse pretese serie, lo si capisce immediatamente se si osserva il messaggio inviato, quando questo viene rappresentato graficamente. La matrice è quella riportata in figura. Dove c'è lo 0 è nero, dove c'è 1 è acceso. I colori sono aggiunti soltanto per evidenziare le varie figure, e non sono ovviamente presenti nel messaggio inviato. A me ricorda un gioco che avevo da bambino, una lavagnetta piena di buchi e tanti tasselli colorati da infilarci dentro, in modo da fare i disegni. Quegli svolazzi in alto rappresentano chiaramente la molecola del DNA (cos'altro potrebbe essere!), mentre l'essere umano stilizzato è ben visibile in rosso. Quello sotto, che sembra uno space invader, dovrebbe schematizzare il radiotelescopio. Che dire... Stendiamo un velo pietoso. Speriamo che mai nessun alieno riceva un simile messaggio, perché ci faremmo veramente un figurone. Se ci va bene ci risponderanno mandandoci una schermata di Tetris. Per fortuna M13 è distante 25000 anni luce, per cui una eventuale risposta se la beccheranno i nostri posteri, ammesso che ci sia ancora qualcuno in giro da queste parti. 

Comunque, nei primi anni 70, la Nasa decise di inviare ai presunti alieni dei messaggi molto più concreti e comprensibili di eventuali segnali radio, montando delle placche metalliche sulle sonde Pioneer 10 e 11, destinate ad uscire dai confini del sistema solare.  Queste placche contenevano informazioni su noi umani, e sul nostro sistema solare, che avrebbero dovuto spiegare agli eventuali alieni che avessero intercettato queste sonde, di che pasta siamo fatti.


Placca posizionata sui Pioneer 10 e 11, e destinate a eventuali alieni intelligenti.
La placca fu preparata dall'astrofisico Carl Sagan, in collaborazione con il collega Franck Drake. Essa è stata disegnata per contenere informazioni su chi siamo, da dove veniamo, e dove siamo nella galassia, metti caso che qualcuno la trovi e ci voglia contattare, o magari farci un'improvisata e venirci a trovare per Natale. Nella placca si vede, in alto a sinistra, chiarissima a chiunque, una rappresentazione schematica della transizione iperfine per inversione di spin dell'Idrogeno. Cosa altro infatti potrebbero essere quelle due palle, se non lo schema della transizione iperfine dell'idrogeno per inversione di spin? 

Più sotto, quelle righe che partono da un punto centrale, rappresentano la distanza relativa, dal centro della galassia, di 14 pulsar, il cui periodo è indicato in numeri binari su ogni trattino. Metti che trovino la placca, e metti che alcune di queste pulsar siano visibili dal loro pianeta, con opportune triangolazioni dovrebbero essere in grado di risalire (grosso modo) alla nostra posizione nella Via Lattea. Su una delle pulsar, però, si sono sbagliati, approssimando in modo non corretto il periodo, tanto per mettere un po' di pepe al problema e renderlo un po' meno banale. Insomma, il problema della Susy della Settimana Enigmistica, in confronto, è una roba da scuola materna, ma qui ci si rivogeva ad alieni che avevano almeno 7 in matematica al liceo.

Sotto, in basso, c'è il nostro sistema solare. Non in scala, né per quello che riguarda le distanze né per le dimensioni del sole e dei pianeti. Diciamo un disegnino da scuola elementare. E poi c'è Plutone, che quella volta era un pianeta, e adesso non lo è più. Tutti i pianeti e il sole sono poi disegnati in 2-D, per cautelarsi sulla possibilità che i terrapiattisti abbiano ragione. Già che c'erano potevano includerci anche i simboli astrologici dei pianeti, metti che Astra si venda anche in giro per la galassia.

Poi c'è il disegno schematizzato del Pioneer, sul quale erano appiccicate le placche. Che almeno quello, gli alieni, se non sono proprio de coccio, dovrebbero capirlo.

E infine c'è il capolavoro: il disegno di noi umani. Il clou: l'uomo e la donna. Quello che dovrebbe servire a mostrare agli alieni come siamo fatti. Che è poi quello che vorremmo sapere anche noi, se trovassimo una placca analoga su una loro astronave. Che ci frega se anche loro sanno la struttura iperfine dell'idrogeno, o quanti pianeti ci sono nel loro sistema solare. Quello che vorremmo sapere è se sono fatti come noi, se hanno 4 o 5 braccia, 3 occhi, e se le loro sembianze somigliano anche solo vagamente a quanto descritto qui.

A questo punto, Sagan e compari hanno dato veramente il meglio.

Il maschio del disegno alza il braccio, della serie "io amico!". La posizione della mano serve a mostrare il pollice opponibile, di cui noi umani siamo orgogliosissimi. Magari invece gli alieni di pollici opponibili ne hanno 6 dozzine a mano, per un totale di 15 mani, e diranno "ma che sfigati questi qua!". La donna sta dietro al maschio, leggermente in secondo piano. Muta, giustamente, come si impone alle donne quando il maschio parla. Io avrei invece messo la donna davanti, e il maschio dietro che spinge il carrello del supermercato.

I due umani, i rappresentanti delle nostre sembianze, sono nudi. Giustamente, mica potevano metterli coi pantaloni scampanati tre taglie sotto, alti e strettissimi in vita, come andavano negli anni 70!

Però... Insomma... Col maschio, secondo me, sono stati un po' di manica corta. Non vorrei dire, ma secondo me potevano azzardare un po' di più. Mica tanto, ma sminuire i maschi della razza umana in questo modo! A che pro? Anzi, io, al posto di Sagan, mi sarei un po' divertito e avrei esagerato disegnando l'uomo con una sontuosa erezione, di quelle da far impallidire John Holmes. Di quelle che poi si sparge la voce in tutta la galassia e gli alieni assumono automaticamente un atteggiamento reverenziale verso noi terrestri. Altro che struttura iperfine dell'idrogeno: sono queste le cose che fanno colpo nell'universo!

E poi nel disegno manca qualcosa. Alla donna manca qualcosa!

Su questa punto sembra che Sagan volesse metterci tutto quanto, ma non abbia avuto tempo materiale di finire il disegno. Ha disegnato la struttura iperfine, la distanza delle pulsar, Il sole con Giove e Saturno con gli anelli, il Voyager che ci gira attorno, tutti i numeri in binario, etc etc, ma quando è stato il momento di disegnare la topa della donna, non ha avuto tempo.  Doveva partire il Pioneer, il tempo stringeva e dovevano attaccarci la placca, e alla Nasa lo chiamavano di continuo per chiedergli: "Allora Carl, hai finito 'sto disegno?" E lui rispondeva, "Eeeehhh... un attimo! Mi manca di disegnare la topa alla donna, e non trovo mai il tempo!". Che poi, insomma, manco avesse dovuto disegnarci la cacciata dal paradiso terrestre! Era solo questione di farci un trattino, una righetta verticale con la penna.

Seriamente parlando (anche se non sembra), pare in realtà che alla Nasa abbiamo discusso parecchio su come disegnare i genitali ai due prototipi di umani (fonte, fonte)  e alla fine abbiano deciso di disegnare solo quello dell'uomo. Senza strafare, peraltro. Sul disegno dei genitali della donna, invece, non se la sono sentita di fare il trattino, per non offendere il senso del pudore degli alieni, e hanno lasciato tutto liscio. La giustificazione è stata che nell'arte classica i genitali li disegnavano così (fonte, fonte). Suppongo che non fossero a conoscenza di questo.

Comunque... mettiamoci un attimo nella mente di questi alieni. Già ricevono un disegno con la pulsar sbagliata, e passi. Si ritrovano un sistema solare che non ci si capisce niente, e che sembra disegnato da un bambino, e passi. Poi però si ritrovano anche una donna nuda, ma disegnata senza genitali. Se ci sommi il fatto che da anni ricevono Radio Maria, e quindi già una mezza idea su noi terrestri se la sono fatta, che figura ci facciamo? Tanto valeva metterci la foto di Sallusti e la Santanchè, a quel punto.

Questa placca con uomini e donne nudi, anche se disegnati incompleti, ha suscitato realmente polemiche e indignazione negli Stati Uniti, tanto che alcuni giornali pubblicarono l'immagine censurata, senza i genitali, e perfino senza i capezzoli della donna (fonte). Ulteriori polemiche furono anche suscitate dal fatto che i due umani disegnati sono tendenzialmente di razza caucasica (bianchi). Pare che all'inizio l'uomo dovesse essere disegnato con una capigliatura afro alla Billy Preston, ma poi alla fine hanno optato per i capelli alla David di Michelangelo.

Sulle sonde Voyager, lanciate alcuni anni dopo, è stato anche messo un disco, con incisi alcuni suoni quotidiani e musiche rappresentative di noi umani. C'è un po' di tutto: il canto delle balene e degli uccelli, il fischiare del vento, e l'alfabeto coi rutti recitato da Franco, il mio compagno del liceo. Per le musiche, si va da Bach a Chuck Berry, fino alle canzoni peruviane, quelle che ti scassano la minchia con i pifferi in tutte le piazze. Manca però Sfera Ebbasta, ma solo perché quella volta non esisteva. A Carl Sagan, per evitare ulteriori polemiche, fu impedito di inserire ulteriori immagini di nudo (fonte). Peccato, perché nel frattempo aveva trovato il tempo per finire di disegnare la topa. I Voyager e i Pioneer arriveranno in prossimità di qualche stella fra decine di migliaia di anni. Possiamo stare tranquilli che non ci incolperanno per la figuraccia.

martedì 11 dicembre 2018

Tutto (o quasi) quello che serve per scoprire il Bosone di Higgs

Questo articolo vuole raccontare in modo sintetico come funziona un moderno esperimento di fisica delle particelle. Quali sono i suoi ingredienti, e quali sono i punti di cui bisogna tener conto per fare questo tipo di ricerca. Per fare questo ho scelto un esempi concreto: la scoperta del Bosone di Higgs al Cern di Ginevra, anche se lo stesso vale per qualunque altro tipo di ricerca in questo settore.

Una teoria o un modello che ne prevedano le caratteristiche: le caratteristiche del Bosone di Higgs sono ben previste dal cosiddetto Modello Standard delle particelle elementari. Una teoria che ha avuto riscontri molto precisi nei dati raccolti da vari esperimenti in questi ultimi decenni. La particella di Higgs e le sue caratteristiche sono ben previste dal Modello Standard, esclusa la sua massa, che non è definita a priori. Esistevano dei limiti, sia teorici che sperimentali, e si sapeva che essa doveva essere superiore a 115 GeV, e probabilmente non troppo elevata, diciamo inferiore a circa 300 GeV.  La massa del bosone di Higgs è estremamente piccola se confrontata con le normali masse di oggetti piccoli del macroscopico (un granello di sabbia è 10 alla venti volte più pesante del bosone di Higgs) ma è un valore elevato nell'ambito delle masse tipiche delle particelle elementari conosciute. Ovviamente non solo ciò che è previsto dalle teorie esistenti è ricercato a LHC. Un inquadramento teorico rende solo più semplice come e dove cercare.

Calcoli teorici che prevedano quanto frequentemente il Bosone di Higgs potrebbe essere prodotto con un acceleratore, quando si fanno urtare fra loro due protoni, come avviene ad LHC. E' necessario sapere, in pratica, quanti eventi in cui è prodotto un Bosone di Higgs ci si aspetta di avere nei vari mesi di presa dati, date le condizioni di funzionamento dell'acceleratore. I pratica si vuole sapere in anticipo se l'esperimento è fattibile, e che tipo di risultato ci si aspetta dal punto di vista statistico. Con il termine "evento" i fisici delle particelle chiamano la singola collisione, e quello che accade o viene prodotto in essa.

Un acceleratore di particelle adatto. Ebbene sì, senza un acceleratore di particelle di quelli giusti non se ne fa niente. Deve avere l'energia sufficiente per produrre il bosone di Higgs, ma anche la "luminosità" giusta. Vediamo cosa vuol dire. L'acceleratore principale del Cern, oggi, si chiama LHC, che sta per Large Hadron Collider. Accelera protoni contro altri protoni in direzione opposta, a energie di 7-8 TeV (milioni di milioni di elettronvolt) nella fase iniziale (quella in cui è stato scoperto il bosone di Higgs) e 13 TeV al momento. 13 TeV è un'energia piccola se rapportata al mondi macroscopico (grosso modo quella di una zanzara in volo), ma enorme se la immaginiamo assegnata a un singolo protone (una zanzara ha almeno 10 alla 21 protoni). I parametri fondamentali di un acceleratore sono 2: l'energia a cui avvengono le collisioni, e la luminosità, che sostanzialmente ci dice quanto "buoni" sono i fasci di particelle. Una luminosità alta si traduce, in generale, in un grande numero di collisioni prodotte, e quindi permette di poter disporre di un campione statistico sufficientemente elevato. In particolare, per eventi che la teoria ci prevede essere rari, avere alta luminosità è importante. L'energia serve invece a "creare" particelle pesanti grazie alla famosa relazione fra massa e energia. Queste particelle non esistono stabilmente, e hanno alta massa (come il Bosone di Higgs) ma possono essere prodotte, anche solo per un istante (in genere poi si trasformano immediatamente in altre particelle più leggere) a partire dall'energia disponibile negli urti. Per produrre il Bosone di Higgs e per studiarne le proprietà servono quindi sia energia elevata che alta luminosità. E' per questo che, prima di LHC, tutti i tentativi di scoprirlo sono stati infruttuosi: non esistevano acceleratori con queste caratteristiche.


Un apparato sperimentale. E' un insieme di strumenti che ha il compito di svelarci (rivelare, e non rilevare) quello che succede nei miliardi di urti fra particelle che verrano prodotti, e trasformarlo in qualcosa di comprensibile ai computer, e in ultima analisi agli esseri umani. Un rivelatore di particelle è un insieme di strumenti che circonda il punto in cui i protoni si scontrano, con una struttura tipo cipolla. Ognuno di questi strumenti è finalizzato a un compito ben preciso: vedere (rivelare) le tracce delle particelle, la loro energia, il loro impulso, la loro carica elettrica, e più in generale la loro natura, cioè dirci se sono elettroni oppure muoni, o che altro. Le uniche particelle note non direttamente osservabili sono i neutrini, che per loro natura interagiscono in modo estremamente raro con la materia, e quindi non esiste nessuna ragionevole speranza che lascino traccia del loro passaggio negli strumenti dell'apparato sperimentale. La loro presenza è vista in modo indiretto, tramite energia mancante nella collisione (nell'evento). Questo ovviamente presuppone che si misuri in modo il più preciso possibile l'energia effettivamente rilasciata dalle particelle "visibili", in modo da poter stimare quello che manca.

Un trigger. Trigger significa "grilletto". Più in generale è un meccanismo che attiva una serie di altre azioni. Nel nostro caso è un sistema, un misto di elettronica e software, che ha il compito di decidere se l'urto che è avvenuto un istante prima sia degno di essere acquisito e immagazzinato nell'archivio dei dati raccolti, o possa essere scartato senza rimpianti. Il trigger da quindi lo "start" all'acquisizione dei dati (il grilletto, appunto). Il problema cruciale del trigger nasce dal fatto che il numero di collisioni che si produce a LHC è di 40 milioni al secondo. Siccome ogni collisione implica circa 1 megabyte di dati, se tutti questi dati fossero acquisiti e salvati su memoria permanente, questo implicherebbe 40 terabyte di dati al secondo, cioè un rate che non sarebbe sostenibile. La complicazione che deve risolvere il trigger sta quindi nello scremare in tempo reale i dati, e scegliere di acquisire solo quelli interessanti per un'analisi successiva.  Il punto importante è che, a LHC, la quasi totalità degli urti che si producono sono poco interessanti per le ricerche che ci si prefigge di fare. Tanto per capirci, a fronte di 40 milioni di collisioni al secondo, grosso modo solo una ogni 10 miliardi include un bosone di Higgs al suo interno. Il trigger quindi deve decidere, in tempo reale, se le informazioni appena raccolte rappresentano eventi potenzialmente interessanti, scremando il numero di eventi raccolti in modo intelligente, e riducendolo dai 45 MHz iniziali a circa 1000 Hz, ovvero di un fattore 45000. I 1000 Hz finali di eventi raccolti rappresentano un numero gestibile sia dai computer che dalle memorie esterne (quando LHC cominciò a prendere dati, nel 2010, questo numero era 100 Hz). Questo processo di scrematura veloce va fatto andando a guardare le informazioni raccolte dall'elettronica, e poi operando una veloce analisi quasi online, che non pretende di essere precisa, ma sufficientemente accurata da scartare gli eventi inutili preservando con buona efficienza quelli "giusti", in modo da ritrovarsi con un campione finale sufficientemente piccolo da poter essere trattato dallo storage, ma allo stesso tempo sufficientemente grande da includere tutto ciò che può essere interessante per l'analisi dei dati.


Un database delle calibrazioni. Le condizioni di un apparato così complesso variano nel tempo. I canali di elettronica si rompono, ci sono malfunzionamenti temporanei di vario tipo, le tensioni variano, la miscela dei gas usati è influenzata dalla pressione atmosferica e da altre condizioni esterne, il guadagno dell'elettronica non è esattamente costante. Tutto questo deve essere monitorato e archiviato, in modo da poter poi interpretare correttamente i dati raccolti.

La ricostruzione degli eventi. Questo marasma di impulsi elettrici deve essere trasformato in qualcosa di comprensibile all'essere umano: il percorso delle particelle, il loro impulso, la carica elettrica, etc. Per fare questo esistono codici software che trasformano le informazioni grezze (raw) negli eventi ricostruiti, su cui è possibile far girare gli algoritmi di analisi dati. Nel processo di ricostruzione è essenziale attingere dal database delle calibrazioni per interpretare e eventualmente correggere correttamente i dati grezzi raccolti, e convertirli in quantità fisiche su cui fare affidamento (che siano cioè affette da incertezze il più possibile piccole, e comunque valutabili).

Un programma di analisi dati. I dati vanno analizzati calcolando efficienze, valutando il fondo, scartando ciò che non serve, e producendo istogrammi.

Una simulazione. Un ingrediente fondamentale. Esistono programmi che tramite tecniche di Montecarlo simulano i processi fisici noti, e anche la produzione di particelle ipotizzate, di cui possiamo conoscere il modo in cui verrebbero prodotte. La stessa cosa è stata fatta anche con il bosone di Higgs. Questi programmi simulano il passaggio delle particelle nel rivelatore, usando una descrizione il più possibile precisa di tutta la geometria dell'apparato sperimentale, e producono un output del tutto identico a quello dei dati veri. In questo modo è possibile utilizzare il programma di analisi dei dati sia sui dati veri che su quelli simulati, in modo da effettuare utili confronti, ottimizzare il programma di selezione dei dati su quelli simulati, e valutare eventuali punti critici dell'analisi.

Uno studio degli errori sistematici. La bestia nera di qualunque misura scientifica. L'errore sistematico è quel fattore di cui non hai tenuto conto, che potrebbe inficiare la misura, alterarla, e produrre un risultato sbagliato. Mentre gli errori statistici, cioè quelli dipendenti dalle fluttuazioni del campione di dati usato, sono calcolabili in modo relativamente semplice, quelli sistematici sono tutta un'altra cosa. Possono esserci effetti subdoli, calibrazioni sbagliate, fondi non tenuti in giusta considerazione, effetti nella selezione e nell'interpretazione dei dati, che possono alterare quello che si vuole effettivamente misurare. Lo studio degli errori sistematici occupa un ruolo centrale in misure tipo la scoperta e lo studio delle proprietà del bosone di Higgs, come in tutte le altre analisi sui dati di LHC.

Uno studio "blinded" (in cieco) prima di guardare effettivamente i dati. Feynman, che di fisica se ne intendeva, diceva che "la cosa più facile è cadere vittima dei propri pregiudizi scientifici, e lo scienziato è il primo a farsi fregare". In pratica vuol dire che, se non si prendono opportune precauzioni, è possibile selezionare e interpretare i dati raccolti dando un peso diverso a quelli che supportano la nostra ipotesi, rispetto a quelli che la negano, pur restando in perfetta buona fede. Detto in parole povere, è facile inventarsi, pur senza volerlo, osservazioni di cose che in realtà non esistono, tramite opportune manipolazioni dei dati. Per cautelarsi da questo rischio concreto, la selezione degli eventi e la tecnica di analisi, per una ricerca come quella del bosone di Higgs, va decisa e "congelata" prima di guardare i dati, utilizzando la simulazione e i dati che non contengono il segnale della presenza del bosone di Higgs. Altrimenti c'è il rischio di effettuare selezioni ad hoc che rischierebbero di aumentare in modo artificioso il segnale rispetto al fondo, facendoci credere di osservare quello che invece non c'è. Per questo i dati della scoperta del bosone di Higgs sono stati "svelati" (unblinded) soltanto poco prima dell'annuncio della scoperta, e tutti i possibili effetti sistematici sono stati valutati "in cieco". E' come quando si vuole studiare l'effetto di un farmaco: se non si effettua uno studio in cieco, lo sperimentatore rischierebbe di effettuare azioni e procedure, basate sui suoi personali pregiudizi, che potrebbero seriamente influenzare i risultati della ricerca (ad esempio valutare in modo diverso un miglioramento dello stato di salute del paziente, da un peggioramento)

Un esperimento di controllo. Al Cern due esperimenti indipendenti hanno osservato il bosone di Higgs nei rispettivi dati raccolti (del tutto indipendenti fra loro) e con le stesse proprietà. Un solo esperimento che dovesse osservare qualcosa di nuovo e inconsueto, in generale non è sufficiente per trasformare questa osservazione in una scoperta da far studiare nei libri di scuola. Ci vuole sempre qualcun altro che controlli e replichi la misura. La scienza è piena di grandi scoperte che sono state smentite da esperimenti successivi. Uno fra tutti: la fusione fredda.

Una grande quantità di ricercatori, soprattutto giovani. Per far funzionare esperimenti così complessi ci vogliono migliaia di persone. Chi costruisce l'apparato sperimentale e controlla che funzioni a dovere, chi si occupa della presa dati, del processamento dei dati, e dell'analisi, e parallelamente chi costruisce l'acceleratore, lo mette a punto, ne controlla il funzionamento, e è capace di risolvere gli innumerevoli problemi tecnici quotidiani. Nell'immaginario collettivo lo scienziato è un tipo alla Einstein, anzianotto, strambo, solitario, un po' fuori dal mondo. Uno di quelli che si chiude nello scantinato, mescola qualche provetta, e scopre "la formula". La realtà è molto diversa: i ricercatori che fanno funzionare questi esperimenti sono giovani, e devono essere in grado di lavorare in equipes con altri ricercatori che provengono da tutte le parti del mondo. I giovani sono il motore della ricerca, e senza di essi tutto questo non sarebbe possibile. Ma d'altra parte i giovani sono i motori del mondo, e non solo della ricerca. Sono il motore di tutto ciò che è nuovo, innovativo, e dirompente. Picasso iniziò il periodo rosa e blu a 20 anni, e Michelangelo scolpì la Pietà a 22 anni, mentre Fermi formulò la statistica delle particelle di spin semi-intero, lavoro che lo rese celebre, a 24 anni. Gli altri, gli anziani, quelli di una certa età, sostanzialmente passano il tempo a mandare mail, e poi si prendono il merito. Sto esagerando, ma non troppo.

E infine, quando tutto è pronto, ci vuole un Powerpoint in Comic Sans...