sabato 24 agosto 2019

Il Large Hadron Collider ha casualmente gettato via le prove di una nuova fisica?

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Il rilevatore di particelle ATLAS del Large Hadron Collider (LHC) presso il Centro europeo di ricerca nucleare (CERN) a Ginevra, in Svizzera. Costruito all'interno di un tunnel sotterraneo di 27 km (17 miglia) di circonferenza, il LHC del CERN è il più grande e potente collisore di particelle del mondo e la più grande singola macchina al mondo. Può registrare una parte molto piccola  dei dati raccolti. (Collaborazione / Getty Images del CERN / ATLAS)


Lo scenario da incubo di nessuna nuova particella o interazione al LHC si sta avverando. E potrebbe essere colpa nostra.

Dentro il Large Hadron Collider, i protoni ruotano simultaneamente in senso orario e antiorario, sfondandosi l'un l'altro mentre si muovono al 99,999991% della velocità della luce a testa. In due punti specifici progettati per avere il maggior numero di collisioni, sono stati costruiti e installati enormi rilevatori di particelle: i rivelatori CMS e ATLAS. Dopo miliardi e miliardi di collisioni a queste enormi energie, il LHC ci ha portato più avanti nella nostra ricerca della natura fondamentale dell'Universo e della nostra comprensione degli elementi elementari della materia.

All'inizio di questo mese, l'LHC ha celebrato 10 anni di attività (2018), con la scoperta del bosone di Higgs che segna il suo coronamento. Eppure, nonostante questi successi, non sono state trovate nuove particelle, interazioni, decadimenti o fisica fondamentale. La cosa peggiore è questa: la maggior parte dei dati del CERN dell'LHC è stata scartata per sempre.

La collaborazione CMS, il cui rilevatore è mostrato prima dell'assemblaggio finale qui, ha pubblicato i loro ultimi e più completi risultati di sempre. Non vi è alcuna indicazione di fisica oltre il Modello standard nei risultati . (CERN / MAXIMLIEN BRICE)

Questo è uno dei pezzi meno compresi del puzzle della fisica delle alte energie, almeno tra il grande pubblico. L'LHC non ha appena perso la maggior parte dei suoi dati: ne ha perso il 99,97%. Giusto; su ogni milione di collisioni che si verificano al LHC, solo su circa 30 di loro hanno tutti i loro dati scritti e registrati.

È qualcosa che è successo per necessità, a causa dei limiti imposti dalle leggi della natura stessa, così come ciò che la tecnologia può attualmente fare. Ma nel prendere questa decisione, c'è una tremenda paura resa ancora più palpabile dal fatto che, a parte il tanto atteso Higgs, non è stato scoperto nulla di nuovo. La paura è questa: che c'è una nuova fisica che aspetta di essere scoperta, ma ci siamo persi buttando via questi dati.

Un evento candidato quattro-muone nel rilevatore ATLAS al Large Hadron Collider. Le tracce muone / anti-muone sono evidenziate in rosso, poiché i muoni longevi viaggiano più lontano di qualsiasi altra particella instabile. Questo è un evento interessante, ma per ogni evento che registriamo, un milione di altri vengono scartati. (COLLABORAZIONE ATLAS / CERN)

Non avevamo scelta in merito, davvero. Qualcosa doveva essere buttato via. Il modo in cui funziona LHC è l'accelerazione dei protoni il più vicino possibile alla velocità della luce in direzioni opposte e distruggendoli insieme. Questo è il modo in cui gli acceleratori di particelle hanno funzionato al meglio per generazioni. Secondo Einstein, l'energia di una particella è una combinazione della sua massa di riposo (che potresti riconoscere come E = mc² ) e l'energia del suo movimento, nota anche come energia cinetica. Più vai veloce - o più precisamente, più ti avvicini alla velocità della luce - più alta energia per particella che puoi ottenere.

All'LHC, collidiamo insieme protoni a 299.792.455 m / s, a soli 3 m / s in meno della velocità della luce stessa. Fracassandoli insieme a così alte velocità, muovendosi in direzioni opposte, rendiamo possibile l'esistenza di particelle altrimenti impossibili.

L'interno dell'LHC, dove i protoni si incrociano a 299.792.455 m / s, a soli 3 m / s in meno della velocità della luce. (JULIAN HERZOG / CCA-BY-3.0)

La ragione è questa: tutte le particelle (e antiparticelle) che possiamo creare hanno una certa quantità di energia inerente a loro, nella forma della loro massa-riposo. Quando distruggi due particelle insieme, parte di quell'energia deve entrare nei singoli componenti di quelle particelle, sia la loro energia di riposo sia la loro energia cinetica (cioè la loro energia di movimento).

Ma se hai abbastanza energia, parte di questa energia può anche andare alla produzione di nuove particelle! È qui che E = mc² diventa davvero interessante: non solo tutte le particelle con una massa ( m ) hanno un'energia ( E ) inerente alla loro esistenza, ma se hai abbastanza energia disponibile, puoi creare nuove particelle. All'LHC, l'umanità ha raggiunto collisioni con più energia disponibile per la creazione di nuove particelle rispetto a qualsiasi altro laboratorio nella storia.

C'era un'enorme varietà di potenziali nuove firme della fisica che i fisici stavano cercando nell'LHC, dalle dimensioni extra alla materia oscura, alle particelle supersimmetriche ai buchi neri. Nonostante tutti i dati raccolti da queste collisioni ad alta energia, nessuno di questi scenari ha mostrato prove a supporto della loro esistenza. (ESPERIMENTO DEL CERN / ATLAS)

L'energia per particella è di circa 7 TeV, il che significa che ogni protone raggiunge circa 7.000 volte la sua energia di riposo-massa sotto forma di energia cinetica. Ma le collisioni sono rare e i protoni non sono solo piccoli, sono per lo più spazi vuoti. Per ottenere una grande probabilità di collisione, è necessario inserire più di un protone alla volta; invece inietterai i tuoi protoni in mazzi.

A piena intensità , questo significa che ci sono molti piccoli gruppi di protoni che vanno in senso orario e antiorario all'interno dell'LHC ogni volta che è in esecuzione. I tunnel LHC sono lunghi circa 26 chilometri, con soli 7,5 metri (o circa 25 piedi) che separano ciascun gruppo. Mentre questi mazzi di fasci vanno in giro, vengono schiacciati mentre interagiscono nel punto centrale di ciascun rilevatore. Ogni 25 nanosecondi, c'è la possibilità di una collisione.

Il rivelatore CMS al CERN, uno dei due più potenti rilevatori di particelle mai assemblati. Ogni 25 nanosecondi, in media, un nuovo grappolo di particelle si scontra nel punto centrale di questo rilevatore. (CERN)

Allora cosa fate? Avete un piccolo numero di collisioni tutte registrate? Questo è uno spreco di energia e dati potenziali.

Invece, pompano abbastanza protoni in ogni mazzo per assicurarsi di avere una buona collisione ogni volta che passano due grappoli. E ogni volta che si verifica una collisione, le particelle penetrano nel rivelatore in tutte le direzioni, attivando la complessa elettronica e circuiteria che ci consente di ricostruire ciò che è stato creato, quando e dove nel rilevatore. È come un'esplosione gigantesca, e solo misurando tutti i pezzi di granata che escono possiamo ricostruire quello che è successo (e quali nuove cose sono state create) sul punto di innesco.

Un evento bosone di Higgs come visto nel rilevatore di solenoidi Muon Compact al Large Hadron Collider. Questa spettacolare collisione è di 15 ordini di grandezza al di sotto dell'energia di Planck, ma sono le misurazioni di precisione del rivelatore che ci permettono di ricostruire ciò che è successo al punto di collisione (e vicino). (COLLABORAZIONE CERN / CMS)

Il problema che si pone, tuttavia, è nel prendere tutti questi dati e registrarli. Gli stessi rilevatori sono grandi: 22 metri per CMS e 46 metri per ATLAS. In qualsiasi momento, ci sono particelle derivanti da tre diverse collisioni in CMS e sei collisioni separate in ATLAS

Per registrare i dati, sono necessari due passaggi:

  • I dati devono essere spostati nella memoria del rilevatore, che è limitata dalla velocità dell'elettronica. Anche se i segnali elettrici viaggiano quasi alla velocità della luce, possiamo solo "ricordare" le collisioni 1-in-500.
  • I dati in memoria devono essere scritti sul disco (o su qualche altro dispositivo permanente), e questo è un processo molto più lento rispetto alla memorizzazione dei dati in memoria; le decisioni devono essere prese su ciò che è tenuto e ciò che viene scartato.


Un diagramma schematico di come i dati arrivano, vengono attivati ​​e analizzati e quindi inviati alla memoria permanente. Questo diagramma è per la collaborazione ATLAS; i dati per CMS sono leggermente diversi . (CERN / ATLAS; RICONOSCIMENTI: KYLE CRANMER)

Ora, ci sono alcuni trucchi che utilizziamo per assicurarci di scegliere saggiamente i nostri eventi. Analizziamo immediatamente una serie di fattori relativi alla collisione per determinare se valga la pena di dare un'occhiata più o meno: ciò che chiamiamo trigger. Se si passa il trigger, si passa al livello successivo. (Viene anche salvata una piccola parte di dati non trascurati, nel caso in cui ci sia un segnale interessante su cui non pensavamo di attivare.) Quindi viene applicato un secondo livello di filtri e trigger; se un evento è abbastanza interessante da essere salvato, entra in un buffer per assicurarsi che venga scritto nella memoria. Possiamo assicurarci che ogni evento che viene contrassegnato come "interessante" venga salvato, insieme a una piccola frazione di eventi non interessanti.

Ecco perché, con la necessità di adottare entrambi questi passaggi, solo lo 0,003% dei dati totali può essere salvato per l'analisi.

Un evento Higgs candidato nel rilevatore ATLAS. Si noti come anche con le segnature chiare e le tracce trasversali, c'è una pioggia di altre particelle; questo è dovuto al fatto che i protoni sono particelle composite. Questo è solo il caso perché l'Higgs dà massa ai costituenti fondamentali che compongono queste particelle. (LA COLLABORAZIONE ATLAS / CERN)

Come sappiamo che stiamo salvando i dati giusti? Quelle in cui è più probabile che stiamo creando nuove particelle, osservando l'importanza di nuove interazioni o osservando una nuova fisica?

Quando si hanno collisioni protone-protone, la maggior parte di ciò che viene fuori sono particelle normali, nel senso che sono costituite quasi esclusivamente da quark up-and-down. (Questo significa particelle come protoni, neutroni e pioni.) E la maggior parte delle collisioni sono collisioni di sguardi, il che significa che la maggior parte delle particelle finisce per colpire il rivelatore nella direzione avanti o indietro.

Gli acceleratori di particelle sulla Terra, come l'LHC al CERN, possono accelerare particelle molto vicine - ma non del tutto - alla velocità della luce. Poiché i protoni sono particelle composite e si stanno avvicinando così tanto alla velocità della luce, la maggior parte delle collisioni tra particelle provocano la dispersione in avanti o all'indietro di particelle, non eventi trasversali. (LHC / CERN)

Quindi, per fare quel primo passo, proviamo a cercare tracce di particelle di energie relativamente alte che vanno nella direzione trasversale, piuttosto che in avanti o all'indietro. Cerchiamo di mettere nella memoria del rilevatore gli eventi che pensiamo abbiano l'energia più disponibile ( E ) per creare nuove particelle, la più alta massa ( m ) possibile. Quindi, eseguiamo rapidamente una scansione computazionale di ciò che è nella memoria del rilevatore per vedere se vale la pena scrivere sul disco o no. Se scegliamo di farlo, può essere accodato per entrare nella memoria permanente.

Il risultato complessivo è che circa 1000 eventi, ogni secondo, possono essere salvati. Potrebbe sembrare molto, ma ricorda: circa 40.000.000 di mazzi si scontrano ogni secondo.

Le tracce di particelle provenienti da una collisione ad alta energia al LHC nel 2014. Solo 1 su 30.000 di tali collisioni sono state scritte e salvate; la maggior parte è andata perduta. (Collaborazione CERN / ATLAS)

Pensiamo di fare la cosa intelligente scegliendo di salvare ciò che stiamo risparmiando, ma non possiamo esserne certi. Nel 2010, il Data Center del CERN ha superato un enorme traguardo sui dati: 10 petabyte di dati. Alla fine del 2013 avevano superato 100 petabyte di dati; nel 2017, hanno superato la pietra miliare di 200 Petabyte. Eppure, per tutto questo, sappiamo che abbiamo gettato via - o non siamo riusciti a registrare - circa 30.000 volte quella cifra. Potremmo aver raccolto centinaia di petabyte, ma abbiamo scartato e perso per sempre molti Zettabyte di dati: più della quantità totale di dati Internet creati in un anno.

La quantità totale di dati raccolti dall'LHC supera di gran lunga la quantità totale di dati inviati e ricevuti su Internet negli ultimi 10 anni. Ma solo lo 0,003% di questi dati è stato scritto e salvato; il resto è andato per sempre. (Getty Images)

È eminentemente possibile che l'LHC abbia creato nuove particelle, abbia visto prove di nuove interazioni e abbia osservato e registrato tutti i segni della nuova fisica. Ed è anche possibile, che la causa sia la nostra ignoranza su ciò che stavamo cercando, abbiamo gettato via tutto e continueremo a farlo. Lo scenario da incubo - di nessuna nuova fisica oltre il Modello standard - sembra essere diventato realtà. Ma il vero incubo è la possibilità reale che la nuova fisica sia lì, abbiamo costruito la macchina perfetta per trovarlo, l'abbiamo trovato, ma non lo realizzeremo mai a causa delle decisioni e delle ipotesi che abbiamo fatto . Il vero incubo è che siamo ingannati col credere che il Modello Standard sia giusto, perché abbiamo visto solo lo 0,003% dei dati che sono là fuori. Pensiamo di aver preso la decisione intelligente di mantenere ciò che abbiamo mantenuto, ma non possiamo esserne certi.

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