Meccanica quantistica_scoperta dei muoni_fisica delle particelle

La scoperta del nucleo e poi dei suoi componenti, il protone e neutrone, ha rivoluzionato la nostra visione di ciò che era fatto il mondo insieme all'individuazione dei muoni prima e dei neutrini,poi.                                                                                                             

La nostra comprensione del mondo è cambiata dal modello classico alla quantistica e fino al 1933 la meccanica quantistica è passata da un successo all'altro nel descrivere osservazioni sperimentali.                                                                                                          Tutto ciò  è culminato nell’equazione di Dirac, che prevedeva l'esistenza di anti-materia, confermata poco dopo dalla scoperta del movimento anti-elettrone (positrone). Tuttavia, il compiacimento dei fisici è stato di breve durata. Dietro le quinte, non tutto andava bene.                                                                                                                                      La meccanica quantistica stava lottando per fornire una spiegazione sulle particelle che piovevano sulla terra dal cosmo a un ritmo di 10.000 al minuto per mq. Un vero e proprio essere, in continuo divenire che i luminari della fisica stavano cercando di capire,quale fosse la natura di queste particelle, presenti nei "raggi cosmici".                                                                                                                             Poiché a quel tempo le sole particelle conosciute erano elettroni, protoni, neutroni, fotoni e (ancora da rilevare direttamente) i neutrini. Venne ipotizzato che queste particelle dei raggi cosmici che continuano ad arrivare a terra fossero elettroni.

Il problema di questa (sbagliata) ipotesi era che gli "elettroni" che piovono sulla terra sembravano arrivare in due varietà. La prima varietà era di quelli che sono stati facilmente assorbiti da blocchi di piombo e che hanno creato una pioggia secondaria di elettroni, positroni e fotoni quando hanno interagito con il piombo e la seconda varietà era di quelli che penetravano con disinvoltura  i blocchi di piombo.

In un primo momento, la meccanica quantistica non aveva spiegazioni del perché gli elettroni dovessero comportarsi in uno di questi  modi, ma a poco a poco la teoria è stata modificata (in particolare da Bethe, Carlson, Heitler e Oppenheimer). Trovarono un modo per descrivere il tipo 1 (gli "elettroni" che producono una pioggia di altri elettroni e quindi hanno la “doccia in testa”), ma, ahimè, non ebbero altrettanta fortuna a trovare una spiegazione per le particelle penetranti di tipo 2. I fisici teorici (che avevano avuto tanto successo fino a quel momento) erano in preda alla disperazione. Oppenheimer, al quale piaceva aggravare la  situazione e che generalmente ha sempre preferito il bicchiere mezzo vuoto, scrisse a suo fratello nel 1934:

“La fisica teorica -  con i fantasmi inquietanti di neutrini, la convinzione di Copenaghen, contro ogni evidenza e, che i raggi cosmici sono protoni, la teoria dei campi assolutamente non quantizzabile di Born, le difficoltà di divergenza con il positrone e l'impossibilità assoluta di fare un rigoroso calcolo a tutti – è piombata rapidamente in un inferno. L'idea che le particelle che penetrano erano protoni venne respinta e la comunità dei fisici dovette affrontare una scelta difficile: una nuova particella o l'accettazione che la meccanica quantistica era irrimediabilmente viziata.                                                                              Per un certo tempo (ora comodamente trascurato) elusero la questione e iniziarono a parlare sotto voce sulla possibilità di "elettroni rosso e verde" - un tipo capace di essere assorbito e l'altro penetrante.                                                                                                                                 Per fortuna, lo sviluppo ispirato da nuove tecniche sperimentali,avviate da squadre di ricercatori in Europa e negli Stati Uniti , comportò che le osservazioni sperimentali delle particelle penetranti, divenissero più precise. Queste innovazioni sperimentali (in combinazione con nuovi progressi nella teoria) permisero un'interpretazione che ha portato alla verità ineluttabile: le particelle che penetrano erano qualcosa come un elettrone, ma molto più pesante”.

Alla particella è stato originariamente assegnato il nome di "mesotrone". Come spesso accade nella scienza, non c'era un "momento di Eureka " della scoperta, ma una graduale alba di un nuovo paradigma attraverso il lavoro di molte persone, sia teorico e sia sperimentale. Anderson ebbe il merito (avendo già intascato un premio Nobel per l'osservazione del positrone), ma c'è stata un considerevole coinvolgimento personale di  Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Via, Stevenson, Carlson e Oppenheimer , senza i cui contributi il "mesotrone" non sarebbe stato scoperto. Il "mesotrone" è stato subito ribattezzato il muone, e divenne chiaro che il muone non era un elettrone rosso o verde, giacché se fosse solo un pesante o un elettrone più energico, dovrebbe decadere in un elettrone e un fotone, e questo decadimento non è stato osservato. Il muone sembra essere la propria particella distinta, di modo che il muone (dopo l'elettrone) è stata la seconda particella fondamentale (cioè quella che non sembra essere fatta di altre particelle) da scoprire. La sua scoperta  ha segnato l'inizio della fisica delle particelle come nuovo soggetto.

LA FISICA DELLE PARTICELLE

La fisica delle particelle diventerà ancora più di uno sforzo internazionale, nei prossimi decenni, secondo un panello incaricato di sviluppare un piano strategico per il futuro statunitense della fisica delle particelle, le cui raccomandazioni tanto attese sono state finalmente rilasciate.

Secondo il gruppo, la priorità per la fisica delle particelle statunitensi intende  continuare a fare svolgere un ruolo importante al Large Hadron Collider in Europa; la costruzione di un programma mondiale leader sul neutrino ospitata negli Stati Uniti; partecipare allo sviluppo di un futuro collisore lineare proposto, se verrà costruito in Giappone.                    "I ricercatori degli Stati Uniti e delle principali altre regioni -hanno scritto in sintesi i membri del gruppo - possono insieme affrontare l'intera gamma delle più urgenti questioni scientifiche del campo se ognuno, ospita una struttura unica di livello mondiale a casa e, diventa partner di servizi ad alta priorità, ospitati altrove". La fisica delle particelle Progetto Prioritization Panel 25 membri (P5) è stata avviata nel mese di settembre 2013, con lo sviluppo di un progetto di piano strategico per la fisica delle particelle degli Stati Uniti per il prossimo decennio e oltre. P5 si riferisce alla “Fisica delle Alte Energie Advisory Panel” (HEPAP), organismo di 24 membri che consiglia formalmente sia l'US Department of Energy Office of Science e la National Science Foundation a sostegno della fisica delle particelle. HEPAP prevede di esaminare e votare sulle raccomandazioni del gruppo di esperti nel corso di incontri pubblici già programmati. Il rapporto P5 è impegnato a definire un processo che ha avuto inizio con le riunioni dei membri della comunità dei fisici delle particelle US a fine luglio e inizio agosto dello scorso anno e si è concluso con l’avvertenza data al P5 di lavorare per il consenso, creando una strategia unitaria. "La comunità è stata fortemente impegnata, -dice il fisico Steven Ritz (University of California, Santa Cruz), che ha guidato il pannello P5- e siamo molto grati per questo". Il piano raccomanda un programma di fisica delle particelle degli Stati Uniti che porterà avanti la ricerca relativa al bosone di Higgs, neutrini,  materia oscura, energia oscura, l'inflazione, particelle non ancora scoperte, le interazioni e i principi fisici. Per mantenere gli Stati Uniti all'avanguardia nella fisica delle particelle, i sostenitori del piano propongono di  investire una parte maggiore del budget sulla fisica delle alte energie DOE per la costruzione di nuovi impianti sperimentali."Questo è un campo di scoperte-guida , -dice Ritz - perché al fine di scoprire, è necessario costruire”. Il pannello P5 raccomanda di fare avanzare una serie di progetti, tra cui un certo numero di grandi impianti complementari, ordinati in tempo per rientrare nei vincoli di bilancio. La sequenza di grandi progetti raccomanda: l'esperimento Mu2e; aggiornamenti al Large Hadron Collider e dei suoi esperimenti;  un esperimento neutrino-lungo e, come  linea di base per essere avviato, l’utilizzo del Fermi National Accelerator Laboratory. P5 raccomanda la partecipazione degli Stati Uniti nello sviluppo di un International Linear Collider in Giappone, se in Giappone verrà presa la decisione di andare avanti nella costruzione di questo strumento. Il pannello P5 prevede che gli Stati Uniti debbano ospitare un programma internazionale di ricerca sui neutrini ,in grado di attrarre la comunità che studiano il neutrino in tutto il mondo, operando sul più potente fascio di neutrini del mondo e, con partner internazionali, impegnati a costruire un importante impianto neutrino-lungo, con una linea di base completata dai più piccoli esperimenti sui neutrini breve-basale. Il lancio di questo programma prevede un cambio di direzione. Il gruppo raccomanda di riformulare l'attuale esperimento a Baseline Neutrino lungo come un programma progettato a livello internazionale, coordinato e finanziato denominato “Strumento Baseline Neutrino lungo”, o LBNF. L'impianto dovrebbe utilizzare un fascio di neutrini al Fermilab, aggiornato attraverso il progetto proposto denominato Piano di Miglioramento Proton II; un enorme rivelatore di neutrini ad argon liquido interrato, probabilmente in dotazione alla Research metropolitana di Sanford in South Dakota; e un rivelatore di minori dimensioni posizionato più vicino alla sorgente del fascio. Il pannello P5 raccomanda  di dirigere le risorse verso una serie di altri progetti che richiedono finanziamenti medi o piccoli. Gli Stati Uniti debbono iniziare subito esperimenti diversi di seconda generazione sulla materia oscura, con la visione di costruire almeno un esperimento grande di terza generazione, all'inizio del prossimo decennio. Verranno aumentati i finanziamenti per i membri delle indagini sulla fisica delle particelle cosmiche. Il pannello raccomanda il completamento del Grande sinottico Sky Survey (LSST) e, se il finanziamento è disponibile, la costruzione del Dark Energy spettroscopico dello strumento (DESI). La raccomandazione è di lavorare con altre agenzie per finanziare ulteriori progetti comuni come la CMB-S3, CMB-S4 e il Cherenkov Telescope Array. Va cambiata direzione per l’acceleratore e la strumentazione R & D per allineare meglio con le priorità elaborate dal P5. I recenti risultati della ricerca fisica hanno ridotto la necessità di aver al più presto collider per  muoni, il pannello raccomanda di contattare i partner internazionali sulla risoluzione anticipata del progetto MICE raffreddamento-muone, attualmente in corso. Gruppo di esperti propone una tabella di marcia per la fisica delle particelle degli Stati Uniti in tre scenari di bilancio: i due scenari vincolati differiscono di circa $ 500 milioni sommati più di un decennio. “Mentre apparentemente piccole, -dice il rapporto-, queste differenze sarebbero con un impatto molto grande a breve e lungo termine . Il pannello ha fatto scelte difficili in fronte alla realtà dei bilanci per la fisica delle particelle che sono diminuiti rispetto al piano P5 precedente, -spiega il fisico Andrea Lankford (University of California, Irvine)-, che ha lavorato sul precedente pannello P5 (2008) e attualmente è impegnato su HEPAP”.                                                                                                                                     In un bilancio non vincolato, il pannello P5 raccomanda di lavorare su un programma di sviluppo notevolmente ampliato mediante l’acceleratore R & D con l'accento sullo sviluppo di tecnologie di trasformazione per le macchine di recente scoperta, al di là delle capacità del LHC e ILC; svolgere un ruolo di primo piano nel programma del rivelatore ILC e fornire elementi acceleratori ILC critici; ospitare un secondo grande rilevatore sotterraneo, Cherenkov acqua neutrino per completare il proposto rilevatore LBNF.