È stato siglato il 17 luglio a Washington un accordo scientifico-tecnologico tra Italia e Stati Uniti per favorire la cooperazione nella ricerca in fisica delle particelle e in fisica nucleare. Il documento è stato firmato dall’Ambasciatore d’Italia negli Stati Uniti, Claudio Bisogniero, in rappresentanza del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR), e dal Sottosegretario del Department of Energy (DOE) americano, Lynn Orr.
"Un riconoscimento di grandissima rilevanza", commenta Fernando Ferroni, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. "Il Department of Energy degli Stati Uniti ritiene l’INFN un partner fondamentale e, per meglio svolgere la collaborazione, attiva un accordo a livello ministeriale: una grande soddisfazione per l’Istituto e per l’Italia", conclude Ferroni.
“Questo accordo permetterà ai due Paesi di sviluppare scambi di esperti, materiale scientifico e attività di ricerca, nel quadro di grandi collaborazioni internazionali nei settori della fisica delle particelle e della fisica nucleare”, ha spiegato l’Ambasciatore Bisogniero. L’intesa prevede l’inserimento successivo di specifici progetti, il primo dei quali, firmato nella stessa giornata, include fra l’altro il trasferimento dell’esperimento ICARUS, ideato e coordinato dal premio Nobel Carlo Rubbia, dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, dove ha terminato il suo programma di ricerca, al Fermi National Laboratory (Fermilab) di Chicago. Questa operazione si inquadra nella strategia degli Stati Uniti di rilanciare la fisica delle particelle e il laboratorio nazionale Fermilab dedicato al fisico italiano Enrico Fermi, puntando sulla ricerca nel settore della fisica dei neutrini, un settore molto promettente perché c’è ancora molto da conoscere sulle proprietà di queste elusive particelle.

Catalina Curcenau, ricercatrice dei Laboratori Nazionali di Frascati, si è aggiudicata uno dei venti grant messi a disposizione dal Foundational Questions Institute (FQXi), con il progetto Events, as we see them: experimental test of the collapse models as a solution of the measurement-problem. Il programma di ricerca proposto da Curceanu è stato selezionato nel contesto di una call internazionale con tema la fisica del ‘cosa succede’. Il FQXi si pone, infatti, come obiettivo di catalizzare, sostenere, e diffondere le ricerche sulle questioni di fisica fondamentale e cosmologia, in particolare sulle nuove frontiere e sulle idee innovative che, pur facendo parte di una profonda comprensione della realtà, difficilmente potrebbero essere supportati da fonti tradizionali di finanziamento. “La notizia della vittoria del mio progetto, selezionato fra 240 provenienti da tutto il mondo, mi rende orgogliosa e felice, - commenta Curceanu - e sono anche consapevole che dobbiamo fare un ottimo lavoro per essere all’altezza della fiducia accordataci”. “Questo risultato è stato possibile anche grazie all’INFN e al contesto in cui lavoro, cioè il campo della ricerca fondamentale, nonché al Museo Storico della Fisica e Centro Ricerche Enrico Fermi, con il quale ho lavorato per sviluppare studi di fattibilità della proposta che poi ha vinto il grant: ora non ci resta che impegnarci per ottenere risultati importanti, verso una comprensione più profonda del meraviglioso universo di cui facciamo parte!”, conclude Curceanu con entusiasmo.
In particolare, a proposito del progetto, la ricercatrice spiega che “studierà il fenomeno che riteniamo possa nascondere i segreti della fisica del ‘cosa succede’: il cosiddetto collasso della funzione d'onda, che genera gli eventi che vediamo e ai quali si affida la nostra comprensione della natura. Il collasso della funzione d'onda, nell’ambito della meccanica quantistica, è collegato al problema della misura, alla cui soluzione sono rivolti enormi sforzi, teorici e sperimentali. Uno dei risultati di questi sforzi, sono i modelli di riduzione dinamica (DRM), che forniscono un quadro coerente per capire come il ‘mondo classico’ emerga dalla meccanica quantistica. La dinamica dei DRM conserva, praticamente, la linearità quantistica per i sistemi microscopici, ma diventa fortemente non lineare a scale macroscopiche, dando vita a specifiche previsioni sperimentali. Il nostro obiettivo è effettuare degli studi teorici e sperimentali di questi modelli, e arrivare a imporre un limite ai parametri del modello, oppure, caso molto più affascinante, a svelare segnali del meccanismo del collasso. In entrambi i casi raggiungeremo una comprensione più profonda della realtà e forse riusciremmo anche a intravedere la teoria al di là dell’attuale teoria quantistica”.

Sul sito di FQXi

COMUNICATO STAMPA. Luce e colori. In occasione dell’Anno Internazionale della Luce IYL2015, è questo il tema prescelto per la seconda edizione del China Science Festival and Youth Science Education Expo 2015, il festival della scienza di Pechino, che quest’anno vede l’Italia come ospite d’onore, e al quale partecipa anche l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN. Alla manifestazione, che inaugura il 17 luglio, e proseguirà fino al 2 agosto nella sede del Bejing Exhibition Center, partecipano per il nostro Paese anche l’Istituto Nazionale di Astrofisica INAF, il Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR e il Festival della Scienza di Genova. Alla cerimonia inaugurale il nostro Paese è stato rappresentato dal vice Ambasciatore d'Italia in Cina, Davide Giglio. Il Festival è curato dalla China Association for Science and Technology (CAST), organizzazione non governativa che ha la funzione di promuovere la cultura scientifica in Cina.
L’INFN nel suo allestimento racconterà ai visitatori le ragioni per cui i fisici delle particelle sviluppano le loro particolarissime e sofisticate “macchine fotografiche”, i rivelatori, progettate per essere sensibili sia alla luce sia alle particelle: sono, infatti, strumenti in grado di vedere diversi "colori", cioè diverse caratteristiche dei costituenti della materia e dei messaggeri cosmici. Lo spazio espositivo dell’INFN ospiterà due installazioni interattive con cui il giovane pubblico cinese, cui è principalmente rivolto il festival, potrà divertirsi, facendo conoscenza con il lavoro dei ricercatori. Fai le Collisioni è una installazione multimediale, con cui è possibile interagire grazie alla visualizzazione di due fasci di particelle che collidono e producono fotoni e altre particelle, analogamente a ciò che accade dentro un acceleratore, come l'LHC al CERN. La seconda installazione, Il Dono della Massa è una visualizzazione del campo di Higgs, che ha “riempito” l'universo subito dopo il Big Bang, donando massa alle particelle le quali, se prima si muovevano alla velocità della luce, hanno in seguito a ciò rallentato il loro viaggiare. Ci saranno poi poster e un video a introdurre i ragazzi al mondo delle particelle elementari e alle loro interazioni. Ma non solo, lo stand dell’INFN racconterà al pubblico anche come i due Paesi, Italia e Cina, hanno da tempo iniziato fruttuose collaborazioni scientifiche in vari ambiti, dalla rivelazione dei neutrini, agli acceleratori di particelle fino ai satelliti in orbita attorno alla Terra. Il tema delle collaborazioni tra Italia e Cina sarà approfondito in un seminario, nell’ambito del forum organizzato dal festival, da Marco Maggiora, ricercatore INFN che collabora al progetto Juno (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), per la realizzazione in Cina di un telescopio sotterraneo per neutrini. Le attività dell’INFN nell’ambito della diffusione della cultura scientifica saranno invece presentate, sempre in una conferenza del forum, da Francesca Scianitti dell’Ufficio Comunicazione INFN, che ha curato l'allestimento dello spazio espositivo dell’Istituto al China Science Festival and Youth Science Education Expo 2015.

Arriva oggi, 16 luglio, la comunicazione da parte del Cherenkov Telescope Array (CTA) Resource Board sulla decisione di avviare i negoziati per definire i dettagli di contratto con i due siti individuati per ospitare il futuro telescopio per raggi gamma (fotoni di altissima energia) di nuova generazione, che sarà anche il più grande al mondo. I siti prescelti sono, per l’emisfero sud del pianeta, lo European Southern Observatory (ESO) a Paranal, in Cile, mentre per l’emisfero nord l'Instituto de Astrofisica de Canarias, a Roque de los Muchachos, sull’isola di La Palma, in Spagna. Il Resource Board di CTA, composto da rappresentanti dei ministeri e delle agenzie di finanziamento di Austria, Brasile, Repubblica Ceca, Francia, Germania, Italia, Repubblica della Namibia, Paesi Bassi, Giappone, Polonia, Sud Africa, Spagna, Svizzera e Regno Unito ha deciso, dopo un attento esame di approfonditi studi delle condizioni ambientali e di simulazioni delle prestazioni, e dopo una valutazione dei costi di costruzione e di esercizio, di avviare le trattative contrattuali con l'ESO e la Spagna. La Namibia e i siti messicani verranno conservati come valide alternative. “Speriamo ora che i nostri sostenitori e gli scienziati della Namibia e del Messico continueranno a contribuire scientificamente e tecnicamente alla realizzazione di CTA, - commenta Giampaolo Vettolani, vice-coordinatore del Resource Board - guidati dal comune interesse a costruire il migliore strumento possibile per l'intera comunità”.
“Questa decisione rappresenta un passo fondamentale per dare slancio e credibilità a un importante progetto scientifico internazionale, che vede l'Italia, con l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in prima linea”, commenta il vicepresidente dell’INFN, Antonio Masiero, che è membro osservatore nel Resource Board di CTA. “In particolare, - prosegue Masiero - la scelta del sito nord a La Palma è per noi significativo poiché alle Canarie si è concentrata la nostra attività, sia nel progetto precursore MAGIC, che nella costruzione del prototipo del Large Telescope di CTA."
“La scelta è ricaduta su siti che consentono di iniziare immediatamente la costruzione dei primi telescopi”, commenta Patrizia Caraveo, rappresentante INAF nel Resource Board. “Per l’INAF la scelta di ESO è strategica perché ci permetterà di continuare le attività iniziate con il progetto bandiera Astri, e continuate con il progetto premiale Teche.it. Adesso potremo finalizzare rapidamente i contratti per la costruzione del Mini-Array di piccoli telescopi nell'ambito del programma Astronomia Industriale, finanziato dal MISE”, conclude Caraveo.
"Con la scelta dei siti di CTA si è sciolto un aspetto cruciale, che permetterà di iniziare la fase esecutiva del progetto", commentano Alessandro De Angelis e Nicola Giglietto, responsabile e vice-responsabile INFN per CTA. "Siamo molto soddisfatti perché la scelta è avvenuta anche grazie all'INFN, che già può vantare un importante contributo di know-how e di logistica a La Palma ed è tra gli iniziatori dell'astrofisica gamma alle altissime energie. L'INFN darà così un sostanziale contributo alla realizzazione dei telescopi di CTA con la sua esperienza scientifica e tecnologica", concludono De Angelis e Giglietto.

Il progetto CTA
È un'iniziativa per costruire un telescopio terrestre di nuova generazione, per lo studio dei raggi gamma di altissima energia. Il rivelatore constera’ di oltre 100 telescopi di tre tipi: grandi telescopi da 23 metri di diametro, telescopi medi da 12 metri di diametro e telescopi piccoli da 4-6 metri di diametro. Sarà un osservatorio aperto a una vasta comunità di astrofisici e fisici delle particelle. CTA sarà uno strumento che consentirà una profonda conoscenza dell'universo ad alta energia non termica.
 Gli obiettivi del progetto possono essere sintetizzati nei tre temi principali della comprensione dell'origine dei raggi cosmici e del loro ruolo nell'universo; dello studio dei meccanismi di accelerazione delle particelle nelle vicinanze dei buchi neri; e della ricerca di fisica oltre il Modello Standard. L'attuale generazione di telescopi Cherenkov (HESS, MAGIC e VERITAS) negli ultimi anni ha aperto la porta della cosiddetta astronomia gamma, cioè dello studio del cosmo basato sull’analisi dei fotoni di altissima energia, ralizzata con dispositivi alloggiati sulla superficie terrestre. I raggi gamma sono fotoni, come quelli che compongono la luce visibile, ma molto più energetici. Possono essere osservati da grandi telescopi a terra che osservano la cosiddetta “luce Cherenkov”, cioè il bagliore emesso dalle particelle prodotte nell’interazione dei fotoni coi nuclei dell’atmosfera terrestre. L’INFN e’ leader in questa tecnologia grazie in particolare alla costruzione del telescopio MAGIC a La Palma, a fianco del quale verrà collocato il primo dei grandi telescopi. CTA esplorerà il nostro universo in modo approfondito, studiando i raggi gamma Very High Energy (VHE), cioè con energia superiore ai 10 GeV. e indagherà i processi cosmici non termici, in stretta collaborazione con gli osservatori che operano su altre lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico, e con quelli che utilizzano altri messaggeri, come i raggi cosmici e i neutrini. Il progetto prevede un fattore 5-10 di miglioramento nella sensibilità rispetto alle prestazioni degli attuali telescopi per raggi gamma di alta energia, da circa 100 GeV a circa 10 TeV, e un ampliamento dello spettro di energia accessibile da molto al di sotto dei 100 GeV fino a oltre 100 TeV.
 CTA è stato incluso nel 2008 nella roadmap del Forum Strategico Europeo sulle Infrastrutture di Ricerca (ESFRI). CTA e’ una collaborazione mondiale che conta oltre mille astrofisici. Per l’INFN collaborano le sezioni di l'Aquila, Bari, Napoli, Padova, Pavia, Perugia, Roma 1, Roma 2, Siena/Pisa, Torino, Udine/Trieste e le universita’ connesse.

 Il sito di CTA

LHCb, uno dei quattro grandi esperimenti del Large Hadron Collider LHC, il superacceleratore del CERN a Ginevra, ha riportato la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark. La collaborazione ha pubblicato oggi sul sito open access arXiv.org lo studio che descrive questi risultati, sottomesso per la pubblicazione alla rivista Physical Review Letters.


“Il pentaquark osservato non è soltanto una nuova particella - ha spiegato Alessandro Cardini, responsabile dell’esperimento LHCb per l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN – ma anche un nuovo modo in cui i quark, che rappresentano i costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro, in uno schema mai osservato prima in oltre cinquant'anni di ricerche sperimentali. Ulteriori studi delle proprietà dei pentaquark ci permetteranno di comprendere meglio la natura di neutroni e protoni, i costituenti della materia di cui siamo fatti noi e tutto ciò che ci circonda”, conclude Cardini.


La nostra comprensione della struttura della materia è stata rivoluzionata nel 1964, quando il fisico americano, Murray Gell-Mann, ha proposto che una categoria di particelle, note come barioni, e che comprende protoni e neutroni, fossero composti di tre oggetti chiamati quark, e che un’altra categoria, i mesoni, fossero invece formati di coppie quark-antiquark. Gell-Mann fu insignito per questo lavoro del Premio Nobel per la fisica nel 1969. Ma il modello a quark elaborato da Gell-Mann permette anche l'esistenza di altri stati di aggregati di quark, come il pentaquark, appunto, composto da quattro quark e un antiquark. Fino ad ora, tuttavia, nonostante una ricerca serrata durata mezzo secolo e condotta da parte di molti esperimenti in tutto il mondo, non era mai stata portata nessuna prova conclusiva dell’esistenza del pentaquark.


I ricercatori di LHCb hanno cercato stati di pentaquark esaminando il decadimento di un barione, conosciuto come Λb (Lambda b), in altre tre particelle: una J/ψ (J-psi), un protone e un kaone carico. Lo studio della distribuzione dell'energia della J/ψ e del protone ha rivelato che stati di aggregazione di materia intermedi, i pentaquark appunto, si formano a volte nel corso del decadimento di questi barioni.

"Approfittando della grande mole di dati forniti da LHC, e potendo contare sull'eccellente precisione del nostro rivelatore, abbiamo esaminato tutte le possibilità per questi segnali, e abbiamo concluso che si può spiegare solo con stati di pentaquark", spiega il fisico della collaborazione internazionale LHCb Tomasz Skwarnicki, della Syracuse University negli Stati Uniti, che ha coordinato lo studio. "Più precisamente gli stati devono essere formati da due quark up, un quark down, un quark charm e un anti-quark charm", conclude Skwarnicki.


La ricerca di questi nuovi agglomerati di quark dura da cinquant’anni e conta numerosi risultati che inizialmente erano sembrati positivi ma che successivamente, sottoposti a ulteriori verifiche, si sono rivelati invece inconcludenti. Ora, il risultato dell’esperimento LHCb è forte di un’analisi dei dati estremamente accurata a rigorosa, basata su un’elevatissima statistica, mai raggiunta prima, e su un’altissima precisione del rivelatore. LHCb è stato così in grado di studiare i pentaquark da molte prospettive, e tutte puntano alla stessa conclusione. È come se gli studi precedenti avessero individuato delle silhouette nel buio e le avessero associate ai pentaquark, mentre LHCb ha condotto la sua ricerca a luci accese e da tutte le angolazioni.

"L'esistenza di particelle esotiche, quelle che non riusciamo a inquadrare nei modelli che descrivono mesoni e barioni, è ormai un fatto sperimentalmente accertato: ad esempio, stati con quattro quark sono già stati scoperti in diversi esperimenti, incluso LHCb”, approfondisce Pierluigi Campana, a capo della collaborazione internazionale LHCb dal 2011 al 2014. “Però adesso abbiamo una forte indicazione di qualcosa di equivalente per i cinque quark. E questo grazie alla capacità di LHCb di riconoscere la natura delle particelle, in mezzo a quella tempesta di tracce che ci è generosamente offerta dalle collisioni a LHC”, conclude Campana.

Ma questo risultato non è conclusivo, perché i pentaquark sono una classe di particelle che ci può aprire le porte a una comprensione molto più approfondita della materia. Infatti, se noi conosciamo bene la forza elettromagnetica che tiene legati assieme gli atomi, cioè i nucleoni e gli elettroni, non altrettanto possiamo dire della forza forte, che tiene legati sia i protoni e i neutroni all’interno del nucleo, sia i quark che li compongono tra di loro.

“La scoperta della collaborazione LHCb, di uno stato composto da cinque quark, se sarà confermata, arriva gradita, ma non inattesa”, commenta Luciano Maiani, fisico teorico fra coloro che hanno maggiormente contribuito agli studi sui quark. “Nel lavoro in cui introduceva i quark, Gell-Mann aveva anche suggerito che, oltre ai mesoni noti fatti da una coppia quark-antiquark, potessero esistere particelle mesoniche composte da due coppie quark-antiquark (tetraquark) e che, oltre alle particelle barioniche composte da tre quark, potessero esserci dei pentaquark. Ci attende adesso l’esplorazione di un nuovo mondo di particelle, al CERN e ai collisori elettrone-positrone in Giappone e in Cina. Speriamo di trovare, nei pentaquark, quella “pistola fumante” che convinca anche gli scettici dell’esistenza di una nuova serie di particelle subnucleari, che ci daranno informazioni cruciali sulle, ancora misteriose, interazioni forti”, conclude Maiani.

Quindi, si apre ora tutto un nuovo filone di ricerca. Il passo successivo per l'analisi sarà perciò studiare come i quark sono legati all'interno dei pentaquark. I quark, infatti, potrebbero essere strettamente vincolati, oppure potrebbero essere tenuti assieme più debolmente in una sorta di molecola mesone-barione, in cui il mesone e il barione risentono del residuo dell’interazione forte, la stessa forza che lega protoni e neutroni a formare i nuclei. Saranno quindi necessari ulteriori studi per distinguere tra queste possibilità, e per vedere che cosa i pentaquark possono insegnarci. I nuovi dati che LHCb raccoglierà durante il RUN2 di LHC consentiranno di compiere progressi in questo campo.

Approfondimento
di Luciano Maiani
Idee sulla struttura di tetra e pentaquark sono state avanzate da diversi autori a partire dagli anni ’70 del secolo scorso (R. Jaffe, poi G. Rossi e G. Veneziano e successivamente R. Jaffe e F. Wilczeck), ma nessuna prova sperimentale indicava allora la presenza di particelle più complicate del minimo necessario. La situazione è cambiata con la scoperta di particelle costituite da quark “pesanti”, il quark charm e il quark beauty. Nel decadimento di una particella con quark pesanti, questi ultimi non possono “sparire”: li possiamo rintracciare nelle particelle dello stato finale e vedere se nella particella iniziale non ce ne dovessero essere degli altri. L’idea che alcuni mesoni, osservati a partire dal 2003 e non interpretabili nello schema tradizionale fossero tetraquark formati da una coppia di quark pesanti e una di quark leggeri, è stata avanzata nel 2005 dal nostro gruppo (L. Maiani, A. Polosa, F. Piccinini, V. Riquer) e approfondita negli anni successivi, tra gli altri da S. Weinberg e da S. Brodsky, negli USA. Mesoni contenenti una coppia di quark beauty sono stati interpretati come tetraquark da A. Ali e altri collaboratori del laboratorio DESY, in Germania. Nel 2007, la scoperta del mesone Z⁺, da parte della collaborazione BELLE in Giappone, è stata confermata nel 2014 da LHCb. Oltre a una coppia charm-anticharm, che ha nel complesso carica elettrica zero, lo Z⁺ “deve” contenere una coppia di quark leggeri, per arrivare alla carica elettrica positiva osservata, proprio come previsto dai nostri tetraquark. I pentaquark osservati sono di questo tipo: decadono in un mesone charm-anticharm e in un protone, quindi devono contenere, in aggiunta, due quark up e un quark down. L’esistenza dei pentaquark è una logica conseguenza dell’esistenza dei tetraquark.