New physics, is that you?

Mysterious hints of long-awaited physics beyond the Standard Model seem to have emerged at CERN’s Large Hadron Collider

The collaborations behind ATLAS and CMS, the two general-purpose experiments at CERN’s Large Hadron Collider, have just published their latest reports. Their new data show a suspicious bump, similar to the one that gave away the existence of the Higgs boson: a detour in an otherwise smooth trajectory across the energy region explored by means of particle collisions. The reason why the new results could either hold great potential or have physicists endure a longer nerve-wracking wait has to do with how searching for the unknown works.

The Large Hadron Collider at CERN offers one the most favorable views of the Universe. Its behemoth experiments collide particles like bumper cars: in the particle dodgem debris are carefully scrutinized to reveal secrets about the interiors of the clashing entities and new types of particles can materialize into existence by converting the energy made available by the collision. Millions of particles are smashed into each other millions of times per second in order for the little sparse hints of every strike to accumulate into relevant information about the microscopic world.

Artist's rendition of a high-energy collision inside a particle detector (Image: CERN)

Artist’s rendition of a high-energy collision inside a particle detector (Image: CERN)

An everyday life equivalent of this would be tossing millions of coins millions of times and counting how many heads or tails you get. Both heads and tails being equally probable you should find that each occurs roughly 50% of the times. That’s in theory. In practice, if you throw a coin 10 times you can get heads 7 times in a row: how’s that possible?

It could be that your coin is rigged: knowing for sure this is not the case is what scientists call characterizing the experimental setup. Maybe your coin is responding to its surroundings in some unexpected way; before you can claim to have a magic coin you have to make sure you understand your environment and how this might interfere with your experiment. It could also be that, while you think you’re just throwing a standard coin, the one you got is no ordinary coin: it’s a completely new one that behaves in an unconventional way with respect to the others you have thrown in the past. More prosaically, it is possible that you did not conduct your experiment enough times to make any statistically significant claim, as scientists would say. When you toss a standard coin your outcomes will approach the 50-50% separation as you increase the number of tosses.

Counting occurrences and comparing results with expectations also characterized the hunt for the Higgs boson, when ATLAS and CMS were like Columbus’ caravels on their course to the Indies: they had to navigate an energy stretch delimited, though loosely, by previously available maps of the microscopic world; their promised land was the particle associated with the Brout-Englert-Higgs mechanism. We all know how the story went: Columbus found America instead, while the Higgs boson was indeed discovered and the duo Higgs-Englert was awarded the Nobel Prize for physics, absent the late Brout.

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Professor Englert and Professor Higgs speaking at the Higgs seminar announcement at CERN in July 2012 (Image: CERN)

Since then CERN has been making history, though in a peculiar sense. Its LHC works in fact as a time machine, by concentrating energy to values that characterized the Universe only immediately after the Big Bang. Now we can rewind a movie no one has ever watched before and directly witness the story unfold as if it were the first time. We have some expectations about the movie but this time around the situation is trickier than in the Higgs-Columbus days: we have left America. The map we could use until then, the so-called Standard Model, is not adequate anymore.

Every model is a description of Nature that is optimized for a specific set of its features and the Standard Model makes no exception: it is very accurate in its domain but cannot explain 95% of the Universe. These dark sectors are like very dim, unexplored rooms in a castle: to build a detailed map of these rooms we need to probe them, to understand their architecture and the variety of their furniture we need landmarks that inform our bearings.

ATLAS and CMS scientists have just finished analyzing information that seem to suggest a new landmark could exist, what exactly is still up for debate: it could be as familiar as a cousin of the Higgs boson or as novel as a manifestation of extra dimensions. This uncertainty represents science in the making and is very fruitful for researchers because it compels them to go through a checklist that resembles the one about the coin toss: are we dealing with a completely new coin? Or will new tosses wash away the seven-heads-in-a-row occurrence?

Only time and more data will tell if we have finally found new physics beyond the Standard Model: after all we have just started watching the movie about the history of the Universe.

Il CERN

In occasione del 60′ compleanno del CERN ecco una mia personalissima dedica a questo nostro grande orgoglio italiano e non solo (bella coincidenza che oggi sia la festa della Repubblica!).

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CMS, uno dei quattro esperimenti disposti lungo l’anello dell’acceleratore LHC.
I diritti dell’immagine sono del CERN.

Ti toglie il fiato, ti lascia senza parole. È proprio un mostro nel senso originario del termine: il monstrum in latino è ciò che stupisce e inebetisce. Non è tanto affascinante solo perché è complicato: è bello perché è un capolavoro. Vorresti toccarlo, per provare a entrare in contatto più profondo con lui. Vorresti abbracciarlo per misurare quanto sei piccolo in confronto a lui ma questa è una lotta impari. Rappresenta infatti alcune delle caratteristiche più alte dell’essere umano:

– puntare alto, osare in maniera così spinta che neanche una coppia di novelli sposi;

– pianificare, con sudore e notti in bianco, stress e frustrazioni, da soli e insieme, per poi riuscire;

– mettere a frutto, rispettare e integrare le diversità delle etnie, culture, religioni, tradizioni, idee, modi di essere, di vestire, votare e intendere se stessi;

– il lavoro di squadra, quello dell’unione che fa la forza, accompagnato da un sano spirito di competizione verace e onesta, non influenzato da altro che l’evidenza, una delle più alte forme di democrazia, quella che garantisce il merito delle tue idee.

Questo è il CERN, il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare, una moderna cattedrale eretta da alcuni esseri umani per il bene di tutti. E qual è questo bene? Non sarà mica aver messo un’etichetta su un altro esotico animale del mondo microscopico che ci dicono esistere ma noi non vediamo, non abbiamo mai visto e forse non vedremo mai? La domanda può accettare più risposte. Quella da scienziato è che il bene in questione è una sublimazione dell’intelletto, la quale deriva dal solo potersi porre il problema di quanti mattoni invisibili a occhio nudo compongono l’impalcatura dell’universo, quanti ne restano da etichettare e con che criterio.

La risposta digeribile a tutti, e forse anche la più interessante, è che, sebbene partecipino a quest’avventura solo delle menti sceltissime, i benefici dell’impresa sono veramente per tutti, è solo che non lo sappiamo: sebbene il CERN ci appartenga in quanto Italiani, ci interessiamo poco a lui e, quando lo facciamo, magari riceviamo anche poco in cambio. Per essere concreti riguardo ai benefici la maniera più immediata è partire dal nome del “mostro”: LHC, acronimo che in italiano diventa “grande collisore di adroni”, un’espressione che il correttore automatico del dispositivo elettronico con il quale sto scrivendo vorrebbe farmi correggere. Strano perché lui, il dispositivo, non sarebbe neanche qui se non fosse per il “mostro”, quello che è, ciò che rappresenta e come si è arrivati fino a lui. Un collisore di adroni è praticamente una gigantesca pista per l’autoscontro di particelle che si trovano anche dentro di noi, negli atomi che ci compongono. Studiandoli, negli ultimi 60 anni o giù di lì, qualche scienziato pazzo ha concepito un’idea che gli vale lo stereotipo: curarci i tumori! Pazzo lui e pazzesca l’idea: che legame ci potrà mai essere tra uno dei pochi lavori utili e rispettabili, quello del dottore, e il lavoro di un inutile fisico, che o ha la testa fra le nuvole oppure è chino a scrivere su qualunque cosa gli capiti a tiro, compresi i fazzoletti per il naso? Non sono materie diverse, fisica e medicina? Del resto per fare l’uno o l’altro dei due lavori devi iscriverti a facoltà diverse e, dopo che ti sei specializzato, solo in un caso ti fai chiamare dottore quando rispondi al telefono. Queste sono categorie di comodo, la Natura, quella con la maiuscola, è una sola ed è costruita secondo schemi logici che tendono a ripetersi: molta parte della differenza è dovuta a una grandissima varietà di comportamento di “attori” che, in realtà, sono molto meno numerosi di quanto non ci si aspetti a uno sguardo superficiale. Atomi nel corpo, atomi nell’universo: studio gli uni, capisco anche gli altri. Se poi ci aggiungo i tipi di interazioni e le particelle che fungono da messaggere dell’informazione “comportamentale”, posso pensare di passare da uno studio sugli acceleratori all’uso degli acceleratori per irradiare al meglio la zona colpita dalla malattia del secolo. Questo legame è di una profondità abissale, dà le vertigini ed è giusto che sia così. È un po’ meno giusto che lo sappiano in pochi, non tanto perché va venduto il progetto LHC o il suo successore, quanto piuttosto perché va pubblicizzata questa faccia della ricerca di base: ci apre la mente, ci migliora la vita, ci dà futuro. A tutti.

Ecco perché resto inebriato ogni volta che ho la fortuna di scendere 100 metri sotto terra a contemplare il “mostro”; auguro di cuore a tutti voi di poter sperimentare questa sensazione prima o poi: ci si sente così piccoli eppure così grandi.
Tanti auguri allora al CERN per i suoi primi 60 anni!

Che ce frega der bosone?

Il Professor Higgs in posa davanti alla lavagna con la sua teoria

Il Professor Higgs in posa davanti alla lavagna con le equazioni che descrivono il suo modello teorico.

Che ce frega der bosone?
Ci frega, ci frega eccome:
Non è cosa poi tanto lontana
Se aiuta una persona a restar sana.
“Ma di cosa stai parlando?
Io proprio non ti comprendo!”
Lascia allora che io ti dica
Perché la fisica è tua amica.

Lo raccontavo anche a mia zia
di quella certa adro-terapia
“Cos’è sta roba? che se magna?”
Guarda, c’è una scritta alla lavagna
Col bosone e i suoi amici,
Che so’ un po’ strani, come dici,
Ma per capire cosa fanno
C’è voluto tanto senno,
Scienziati pazzi di curiosità
Sempre in cerca di più verità;
Fogli di calcoli a mani basse
Per capir chi è che dà le masse
Alle particelle elementari
Che a lui si legan in modi vari.

È proprio lui, il gran bosone
Col nome di un professorone,
Per dar la caccia noi al quale
Si è studiato anche un male:
Un certo tipo di tumori
A cui si sparano da fuori
Nuclei atomici pesanti
Che non sapevamo così efficienti:
Sono questi detti adroni
Che significa “omaccioni”,
Gente forte come l’interazione
Che governa la loro azione.

Ora basta coi dettagli,
Ché già ti vedo che sbadigli.
Ti basti solo ricordare
Che proprio non ci si può stare
Senza ricerca e senza scienza
Sarebbe molta più la sofferenza:
Del futuro non ha paura
Chi conosce la Natura,
La rispetta e la comanda
Perché ha risposto alla domanda:
“Cosa c’è oltre il vedere?
ho bisogno di sapere!”

[Per saperne di più sulle applicazioni della fisica delle particelle alla medicina: Atomi che curano. Per leggere altre mie rime di scienza clicca sull’etichetta “Scienza in rima” tra quelle che caratterizzano questo articolo. ]

An outreach Odyssey

I’m delighted to discover the translation into French of the book “A Zeptospace Odyssey“, written by eminent theoretical physicist Dr. Gian Giudice from CERN, about the LHC and the hunt for the Higgs. The translation is the result of work by students and staff of the Faculty of Translation of the University of Geneva, in Switzerland.
The reason why I’m very happy to see this translation is because it constitutes a practical and successful realization of one of the ideas for outreach I propose in my paper “Who cares about physics today? A marketing strategy for the survival of fundamental science and the benefit of society”. To efficiently satisfy the mandatory and diverse communications needs of scientists, in my proposal I specifically identify universities for the role they can play in outreach: being multi-disciplinary hubs by constitution, these institutions could improve use of their assets by having their many departments collaborate. This synergy is very beneficial for the students involved in the process: in fact they are provided with hands-on job experiences, which, being multi-disciplinary, are particularly professionalizing for a chameleonic job market.
The university itself benefits from this strategy in much the same way as from an investment: putting into contact its human resources, it can take fruits which are more numerous and rich than those available from summing the individual separated contributions; furthermore, it can shape its curriculum in a particularly distinctive and concrete way, thus securing students enrollments and investments from satisfied alumni.
I’ve recently presented this set of ideas at the University of Nottingham, which hosted the 2013 “Science in Public” conference and kindly granted me the opportunity of exposing in the parallel session titled “Public communication of science and technology by universities, research centres, scientists or researchers and society rights”. In this context I could stress once more what I think is a crucial attitude to be adopted for science outreach nowadays: to switch from the research mantra “publish or perish” to the communication one “be cool or perish”. In order to prosper, science has to show off its “sexy” side (read: usefulness and proximity to people): failure to do so will represent an Odyssey for both science and outreach.

Ideas are sexy too!

Ideas are sexy too!