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Non il tuo fisico modello standard
La professoressa Janet Conrad è alla ricerca dell'inafferrabile particella fantasma e capovolge la fisica. 23 ottobre 2018
Illustrazione fotografica di Janet Conrad Foto originale di Cassandra Klos
Nell'estate del 2005, durante un banchetto organizzato in un castello svedese per alcuni dei principali fisici del mondo, Janet Conrad fece una scommessa.
Nel corso di più corsi e molto vino, Conrad, allora professore di fisica alla Columbia University, ha combattuto giocosamente con il premio Nobel e fisico del MIT Frank Wilczek sul bosone di Higgs, una particella fondamentale che era prevista esistere dal Modello standard della fisica ma che aveva eluso tutto tentativi di rilevamento. Trovare l'Higgs sarebbe la chiave per risolvere il mistero di come le particelle acquisiscono massa.
I fisici che speravano di osservare la particella sfuggente stavano riponendo le loro speranze sul Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle del mondo, allora in costruzione in tunnel cavernosi vicino alle Alpi svizzere. L'LHC è stato progettato per frantumare fasci di protoni e ioni pesanti a velocità prossime a quelle della luce. In seguito, i fisici si aspettavano di vedere i segni del bosone di Higgs, insieme ad altri nuovi fenomeni fisici.
Conrad, un auto-riconosciuto contrarian, ha posto una domanda contrarian: e se l'LHC non avesse rilevato l'Higgs? Aveva ragione di credere che mentre la particella dovesse esistere, sarebbe esistita in un intervallo di energia che il rivelatore non sarebbe stato in grado di captare. Dopo un acceso dibattito, venne lanciata una scommessa, scarabocchiata su un taccuino: una scoperta di Higgs avrebbe favorito Wilczek, mentre nessun rilevamento avrebbe rivendicato Conrad. La posta in gioco: repliche in cioccolato della medaglia del Nobel, disponibili solo al Museo del Nobel in Svezia.
Il 4 luglio 2012, Conrad ha perso la scommessa quando i fisici hanno riferito che l'LHC aveva rilevato una nuova particella simile al tanto ricercato bosone di Higgs, una scoperta che ha risuonato in tutto il mondo della fisica. Quando la notizia è stata diffusa, Conrad era al Fermi National Accelerator Laboratory fuori Chicago, nel bel mezzo di un esperimento. Ha arruolato un'amica dell'Università di Stoccolma per acquistare i cioccolatini, che sono stati traghettati a New York da un fisico in visita della Columbia University e poi a Chicago da un post-dottorato diretto al Fermilab. Conrad li ha poi riportati in aereo a Cambridge in rotta per una conferenza, lasciando 10 Nobel di cioccolato immacolato e non fuso con sua sorella, che li ha consegnati all'ufficio del MIT di Wilczek.
Il New York Times conteneva la scommessa in un piccolo articolo, insieme a una vignetta raffigurante il compromesso bizantino, una copia incorniciata della quale è appesa alla parete dell'ufficio del MIT di Conrad. Scommette che l'Higgs non esisterebbe nelle energie che l'LHC potrebbe sondare, spiega, perché secondo me era molto meglio dell'Higgs esistente [là].
In altre parole, non trovare il bosone di Higgs dove tanti fisici si aspettavano che fosse avrebbe esposto una crepa sismica nel Modello Standard, una teoria su cui la comunità dei fisici ha fatto affidamento per decenni per descrivere le forze e le particelle fondamentali nell'universo. Una tale scossa teorica avrebbe rivelato un mondo di nuove incognite fisiche.
Cassandra Klos; Capelli e trucco di Laura Dillon
È una particella la cui personalità mi piace; è una particella molto indipendente.
Non credo che il nostro modello standard abbia molto senso, dice Conrad. Si adatta molto bene insieme: puoi prenderne dei pezzi e prevederne altri, il che è davvero impressionante. Eppure... [include] valori che non possiamo spiegare. Sono convinto che questa non sia l'intera storia. E sono davvero interessato a dare un'occhiata in giro per scoprire qual è l'intera storia.
Conrad, che è entrata a far parte della facoltà di fisica del MIT nel 2008, ha trascorso la sua carriera a frugare in risultati sperimentali anomali che altri hanno scartato o accettato indiscutibilmente come fatti. La cosa che trovo più avvincente è quando un esperimento ha visto qualcosa di interessante e voglio capire: hanno commesso un errore o la natura ci sta davvero dicendo qualcosa di nuovo? lei dice. Questo per me è il più divertente.
Quel fascino per le anomalie l'ha portata alla ricerca di una particella molto più sfuggente del bosone di Higgs. E se lo trova, capovolgerà davvero il Modello Standard della fisica.
Cacciatore di neutrini
A metà degli anni '90, i fisici del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico hanno segnalato un segnale inaspettato e ancora controverso nel rivelatore di neutrini a scintillazione liquida (LSND). Il rivelatore è essenzialmente progettato per contare i neutrini, particelle infinitesimamente piccole, quasi non rilevabili, che si pensa siano più numerose di tutte le particelle di materia ordinaria dell'universo, come elettroni e neutroni, di un miliardo a uno. Nonostante la loro pervasività, i neutrini sono spesso chiamati spettrali perché sono diabolicamente difficili da misurare: oltre ad essere estremamente piccoli, non hanno carica, quindi molto raramente interagiscono con la materia ordinaria e possono fluire attraverso ogni cellula del nostro corpo, anche attraverso migliaia di tonnellate di granito e acciaio, senza arruffare una singola molecola.
L'LSND è costituito da un serbatoio delle dimensioni di un autobus urbano, riempito di olio minerale, ed è progettato per ricevere un raggio di neutrini da un vicino acceleratore. I rivelatori di luce che rivestono il serbatoio registrano minuscoli lampi prodotti dai neutrini in arrivo che si schiantano contro i nuclei di carbonio nell'olio, che è uno scintillatore naturale, cioè diventa luminescente quando eccitato da radiazioni ionizzanti. Il modello e la tempistica delle interazioni possono dire agli scienziati qualcosa del tipo di neutrini che scorrevano attraverso la vasca.
Secondo il modello standard, i neutrini dovrebbero esistere in tre varietà, o sapori: un neutrino elettronico, un neutrino muonico e un neutrino tau. Tuttavia, nel 1994 i fisici hanno riferito che l'LSND aveva contato più neutrini elettronici del previsto. I fisici hanno avanzato una teoria scioccante: che questo potrebbe essere spiegato dall'esistenza di una particella completamente nuova, un neutrino sterile, che interagisce solo con la gravità e per niente con la materia ordinaria.
I risultati sono stati accolti con intenso scetticismo. Se il neutrino sterile esistesse, indicherebbe un fenomeno che il Modello Standard non può spiegare. Potrebbe anche aiutare a spiegare la materia oscura, che costituisce circa un terzo della materia dell'universo ma non emette o riflette la luce. Mentre altri hanno spazzato via i risultati come un problema tecnico che deve avere una spiegazione razionale in linea con le regole stabilite della fisica, Conrad ha colto l'anomalia come un'opportunità.
Poco prima, aveva concluso il suo lavoro di laurea in fisica delle alte energie all'Università di Harvard. Quasi tutti quelli che conosceva nel suo campo erano diretti a unirsi a grandi collaborazioni di scienziati che lavoravano con gli acceleratori di particelle per cercare il quark top, la più massiccia di tutte le particelle elementari prevista dal Modello Standard, che non era stata ancora rilevata. Conrad, andando controcorrente, aveva deciso di mettersi alla ricerca del neutrino sterile, iniziando un post-dottorato alla Columbia University nel 1993.
Ricordo di aver preso questa decisione nella mia vita e di aver avuto un collega che diceva: 'Janet, sei troppo brava per farlo', dice Conrad. Ma è una particella la cui personalità mi piace; è una particella molto indipendente.
Nel 1995, Conrad è entrata a far parte della facoltà di fisica della Columbia e ha iniziato a costruire il suo gruppo di ricerca. Ha anche piantato i semi per un nuovo rivelatore di particelle progettato specificamente per provare o smentire i risultati LSND: il Mini Booster Neutrino Experiment, o MiniBooNE. La sua idea era di inviare fasci di neutrini lungo un tunnel di 500 metri in un enorme serbatoio sferico, di circa 12 metri di diametro, rivestito con 1.200 sensori di luce e riempito con 800 tonnellate di olio minerale. Sebbene interagiscano raramente con altra materia, i neutrini che si scontrano con un atomo di carbonio nell'olio minerale lascerebbero tracce di energia, rendendo possibile l'identificazione del loro sapore. È noto che i neutrini oscillano da un sapore all'altro mentre si muovono nello spazio, ma finché oscillano tra i tre gusti standard, il numero totale dovrebbe rimanere stabile. Un calo del totale suggerirebbe che alcuni si siano trasformati in neutrini sterili, ancora più difficili da rilevare; un aumento del totale suggerirebbe che alcuni neutrini sterili si siano trasformati negli altri aromi. Contando il tipo e il numero di neutrini rilevati da MiniBooNE ad alte energie, Conrad e il suo team hanno potuto cercare segni di eventuali eccessi strani e imprevisti, in linea con i risultati di LSND a basse energie.
Conrad si è assicurato i fondi per costruire il rivelatore al Fermilab, dove il Booster, un acceleratore di particelle con una circonferenza di 474 metri, avrebbe prodotto i neutrini da analizzare. Nel 2007, lei e una collaborazione in espansione con MiniBooNE hanno riportato i loro primi risultati: non sembrava esserci un eccesso di neutrini elettronici, almeno negli intervalli di alta energia previsti dai risultati LSND a bassi intervalli di energia. Questi primi risultati sembravano confutare l'esistenza di un quarto neutrino sterile. Ma MiniBooNE ha registrato un misterioso eccesso di neutrini elettronici a energie inferiori, una scoperta che i ricercatori non sono stati in grado di spiegare.
Cassandra Klos
La caccia al neutrino sterile è tutt'altro che finita, poiché numerosi esperimenti hanno prodotto risultati contrastanti. Una fonte di questi risultati è l'Osservatorio IceCube Neutrino, con sede presso la stazione del polo sud di Amundsen-Scott. IceCube è composto da oltre 5.000 sensori di luce, appesi a fili verticali che si estendono per oltre 2.450 metri nel ghiaccio antartico. Il rivelatore è progettato per raccogliere tracce di neutrini provenienti non da acceleratori sulla Terra ma da sorgenti estreme nel cosmo, come i nuclei delle stelle che esplodono ei centri delle galassie attive. Quando attraversano il ghiaccio, producono muoni, particelle secondarie caricate elettricamente che emettono luce. L'analisi della luce captata dai sensori di IceCube consente agli scienziati di contare i neutrini e determinare l'angolo con cui passano attraverso il ghiaccio. Conrad è tra i 300 scienziati che stanno cercando segni di neutrini sterili, insieme ad altri fenomeni correlati ai neutrini, nelle particelle che fluiscono attraverso il rivelatore. (Nel settembre 2017, ad esempio, hanno tracciato un neutrino cosmico ad alta energia alla sua fonte, un blazar a circa 3,7 miliardi di anni luce di distanza.)
Nel 2016, la ricerca del neutrino sterile da parte di IceCube si è rivelata vuota: gli scienziati non avevano trovato alcun segno della particella tra i 100.000 eventi di neutrini rilevati dal rivelatore. Hanno concluso con il 99% di certezza che la particella non esiste nell'intervallo che potrebbero esplorare.
Eppure c'è ancora una possibilità che sia là fuori. A giugno, Conrad e i suoi colleghi di MiniBooNE hanno annunciato che l'esperimento aveva nuovamente rilevato un eccesso di neutrini elettronici nella gamma a bassa energia, e questa volta era chiaro che i risultati non erano un colpo di fortuna statistico ma un probabile segno di qualcosa al di là dei tre neutrini principali sapori.
Con il suggerimento di prove per neutrini sterili, ha lanciato una bomba sull'argomento, e ora dovremo vedere se esplode, dice Wilczek. Se la sua indicazione regge, scuoterà alcune delle nostre idee su come realizzare una teoria unificata delle forze fondamentali. Significherà che non siamo così vicini alla risoluzione del problema come alcuni di noi pensano di essere.
Non è il neutrino sterile che stavamo cercando, ma potrebbe esserlo comunque, dice Conrad dei nuovi risultati. Ed è un chiaro segno che wow, questo è qualcosa che non capiamo, che è un posto divertente e frustrante dove stare.
Conrad e il suo gruppo sono a capo di una caccia sempre più ampia. Eravamo davvero là fuori, negli angoli più remoti della frontiera, dice. A nessuno importava di noi; eravamo nel nostro angolo. E poiché noi e altri esperimenti abbiamo preso più dati, e ci sono più segnali che sembrano ci possa essere un neutrino in più, le persone si sono interessate molto di più.
Ripensare gli acceleratori di particelle
Poco dopo che MiniBooNE ha riportato i suoi primi risultati nel 2007, Conrad ha lasciato la Columbia University e si è unito alla facoltà del MIT.
Cambiare lavoro di tanto in tanto non è una brutta cosa, ma di solito non è quello che fanno i docenti di ruolo, dice. Ma parte del motivo per cui le persone cambiano lavoro è perché offre loro nuove intuizioni creative. Ed è proprio quello che è successo a me.
Nel dipartimento di fisica del MIT, Conrad ha trovato un alveare di idee teoriche e sperimentali. E una volta trasferitasi nel suo ufficio nel corridoio principale del Laboratory for Nuclear Science del MIT, iniziò a sviluppare un acceleratore di particelle delle dimensioni di una stanza.
Gli esperimenti sui neutrini avevano sempre richiesto enormi acceleratori per zing protoni vicino alla velocità della luce, a quel punto le particelle avrebbero potuto produrre abbastanza neutrini per essere analizzati da rivelatori come MiniBooNE. Gli esperimenti sui neutrini e la fisica delle particelle in generale stanno diventando sempre più grandi, dice Conrad. Prendiamo la stessa tecnologia che abbiamo già e continuiamo ad espanderla e moltiplicarla.
Invece di andare oltre in quella direzione, Conrad decise di cercare modi per costruire un acceleratore di particelle altrettanto potente di quelli che coprivano diversi chilometri in una frazione dello spazio. Acceleratori più piccoli, ha ragionato, potrebbero essere costruiti a buon mercato e posizionati vicino a qualsiasi grande rivelatore di neutrini, sia nel mezzo di una prateria, come al Fermilab, sia nelle profondità delle montagne.
Un progetto ha cominciato a prendere forma dopo aver assistito a un discorso sui ciclotroni, apparecchi delle dimensioni di una stanza che lanciano particelle cariche fuori dal loro centro attraverso un campo magnetico e le accelerano lungo le onde a radiofrequenza, proprio come i surfisti cavalcano le onde dell'oceano.
È una vera storia del MIT, nel senso che ero seduto qui a lavorare, avevo troppo da fare e qualcuno mi ha detto: 'Vuoi venire a sapere di questo nuovo ciclotrone?', ricorda Conrad. Così sono andato, ed ero seduto lì a parlare, ed ero tipo, 'Questo è l'acceleratore dei miei sogni.'
Dagli anni '30, i ciclotroni sono stati utilizzati per produrre fasci di protoni per esperimenti di fisica nucleare. Ma il numero di protoni che potevano accelerare era limitato e, man mano che arrivavano sulla scena acceleratori più grandi e più potenti, i ciclotroni furono riutilizzati per far girare fasci di protoni volti a uccidere i tumori cancerosi. Conrad ha cercato modi per aumentare il numero di protoni che un ciclotrone può accelerare e ha trovato una soluzione nella molecola di idrogeno ione H2+, che è composta da due protoni tenuti insieme da un elettrone. Se queste molecole di idrogeno fossero pompate in un ciclotrone, i loro elettroni sarebbero essenzialmente volati via, lasciando due protoni per ogni molecola, il che significa che ne potrebbero essere disponibili il doppio per produrre neutrini e altre particelle esotiche.
Lei e i suoi studenti stanno attualmente costruendo un acceleratore di ciclotrone al MIT, che ha soprannominato IsoDAR, per il decadimento isotopico a riposo, il processo mediante il quale i protoni del ciclotrone decadrebbero in neutrini. Una volta costruito, idealmente entro il 2022, se tutto va bene, il mini-acceleratore dovrebbe adattarsi a un'area delle dimensioni di un ampio soggiorno. Spera anche di costruire una versione leggermente più grande e più potente, Daedalus, che sarebbe comunque grande una frazione degli attuali acceleratori che generano neutrini, una dimensione che potrebbe facilmente adattarsi alla cupola del MIT. Secondo Conrad, se questi piccoli acceleratori fossero posizionati accanto ad alcuni dei rivelatori più sensibili al mondo, potrebbero far avanzare notevolmente la ricerca del neutrino sterile.
Possono andare un ordine di grandezza oltre nell'esplorazione dello spazio per i neutrini sterili, rispetto a qualsiasi altro esperimento di oggi, dice. Per essere in grado di farlo, stiamo cercando di pensare in modo molto diverso.
Una striscia indipendente
Conrad sarà il primo ad ammettere di non essere il fisico delle particelle mediocre. Soprattutto all'inizio della sua carriera, si sarebbe trovata una delle poche donne a partecipare a seminari e conferenze.
Non sarei in questo campo se non fossi l'unica donna in alcuni posti, dice. C'è un certo vantaggio nell'essere una donna, nel senso che ovviamente sei già diversa. Non sei il fisico del modello standard.
Ciò si manifesta soprattutto nei discorsi di Conrad a riunioni e conferenze, dove spesso attribuisce allegramente personalità a determinate particelle elementari, confrontando i quark - che possono essere così rumorosi da oscurare qualsiasi altro segnale di particella - con le ragazze e il tranquillo, onnipresente neutrino alla ragazza della porta accanto.
Lindley Winslow, assistente professore di fisica al MIT, ricorda di aver visto Conrad parlare per la prima volta, quando frequentava un incontro annuale di fisica da studentessa universitaria. È stato davvero stimolante da vedere, ricorda Winslow. Non solo era una donna che faceva un discorso, ma era anche libera di essere carina. E lei si stava divertendo, e lo stava facendo proprio come una donna, non come una donna che fingeva di essere un uomo.
Conrad alla fine ha reclutato Winslow come suo primo post-dottorato al MIT e ha lavorato duramente per attirare altre donne nel dipartimento di fisica del MIT, sia a livello di laurea che di facoltà. Le donne costituivano solo il 13,7% degli studenti laureati in fisica dell'Istituto nel 2007, ma in qualità di capo del processo di ammissione del dipartimento, Conrad ha contribuito a aumentarlo.
Sono incredibilmente orgogliosa del fatto che siamo per il 23% donne in questa classe successiva, dice. La mia grande speranza è che arriveremo fino al 33 percento.
A livello di facoltà, Conrad vede una sfida più grande. Il dipartimento di fisica del MIT, uno dei più grandi del paese, ha solo 12 donne nella sua facoltà di circa 100, quattro delle quali si sono unite solo negli ultimi anni.
Siamo passati da otto a 12: è un grande aumento frazionario, dice. Ma onestamente, questo è piuttosto indietro [altri programmi di fisica]. Quindi sta lavorando per aumentare quel numero e ora controlla regolarmente con le donne della facoltà di fisica, che secondo lei sono disposte a uscire e provare le cose e non hanno paura di cadere e rialzarsi.
Questa serie di indipendenza è qualcosa che Conrad cerca negli studenti che vogliono unirsi al suo gruppo di ricerca. Ciò è in parte dovuto al fatto che si impegna a mandare i suoi studenti direttamente nei siti in cui si trovano gli esperimenti sui neutrini, come il Fermilab, dove gli scienziati operano MiniBooNE e MicroBooNE, e Madison, nel Wisconsin, dove ricevono e analizzano i dati IceCube.
Se sono nella loro piccola isola qui, potrebbero fare un ottimo lavoro, ma la gente non lo sa davvero, dice Conrad. È molto importante essere lì, essere centrali ed essere una delle persone chiave che sono molto visibili. E ti dà una visione molto più ampia del mondo.
Conrad cerca di essere presente il più possibile ai suoi esperimenti, in particolare al Fermilab, dove viaggia così spesso che lei e suo marito hanno tenuto una seconda casa in Illinois da quando Conrad era uno studente laureato. Ci vado tutte le volte che posso e su Skype il mio gruppo tutto il tempo, dice. Riceveranno un migliaio di e-mail da me in un fine settimana, perché la mia abitudine è di mettere un pensiero, poi il pensiero si sviluppa dopo un'ora e manderò un'altra e-mail. Quindi torneranno e diranno 'Omigod'.
In effetti, la vita di Conrad sembra essere occupata dalla fisica, e per fortuna. Anche se le piace il giardinaggio e aiutava suo padre ad allevare dalie campione, in questi giorni si limita a coltivare margherite a bassa manutenzione. Non ho il tempo di far sembrare una dalia come vorrei, dice, e non voglio dalie malandate.
Per Conrad, la fisica non è solo il suo lavoro, ma il suo hobby, che consuma tutto e, soprattutto, divertente. Quindi continua a guidare la caccia alle anomalie dei neutrini e a radunare i suoi colleghi affinché si uniscano all'inseguimento. Avendo costruito il caso secondo cui è possibile che tutti questi suggerimenti siano allineati, afferma Winslow, Conrad ha convinto la comunità che è fondamentale continuare la ricerca per confermare o confutare l'esistenza di neutrini sterili. Con chiunque ami qualcosa così tanto, non vuoi metterti in mezzo, dice Winslow. Dobbiamo uscire e guardare.
Come vedere un neutrino
Negli anni '60, i ricercatori hanno sviluppato camere a bolle per studiare l'elusivo neutrino. Quando un neutrino entra in collisione con un nucleo, produce particelle cariche. Se ciò accade all'interno di una camera a bolle, che è riempita di liquido pressurizzato, le particelle cariche lasciano una scia di elettroni liberati mentre viaggiano attraverso il liquido. Quando il liquido evapora intorno a quegli elettroni, si formano bolle microscopiche, che documentano il sito di collisione e i percorsi delle particelle. Il rilascio della pressione della camera consente alle bolle di espandersi fino a quando non sono abbastanza grandi da poter essere fotografate. Sebbene tali foto siano meravigliosamente dettagliate, il processo di acquisizione delle stesse richiede tempo e lavoro.
Janet Conrad e diversi colleghi hanno avuto un'idea per costruire un rivelatore in grado di raccogliere registrazioni digitali di neutrini con una precisione simile ma con un'efficienza molto maggiore. È diventata membro fondatore di un gruppo di collaboratori che ha progettato e costruito il rivelatore di neutrini MicroBooNE da 170 tonnellate, che ha iniziato a registrare i neutrini generati dall'acceleratore Booster del Fermilab nel 2015. Quando i neutrini entrano nella gabbia da campo ad alta tensione di MicroBooNE, che è piena di argon liquido , interagiscono con l'argon, creando particelle cariche. Quando queste particelle cariche si muovono attraverso il rivelatore, liberano elettroni nell'argon, producendo una scia di ionizzazione. Le particelle cariche eccitano anche l'argon, producendo luce.
Le tracce di elettroni liberate dopo che un neutrino si è scontrato con un nucleo sono raffigurate in una fotografia della camera a bolle (a sinistra) e in un'immagine digitale MicroBooNE (a destra). I tubi fotomoltiplicatori di MicroBooNE (sotto) sono pronti a rilevare la luce prodotta da particelle cariche create da una collisione di neutrini.
Gli elettroni liberati vanno alla deriva verso fili rivestiti d'oro installati sul lato a bassa tensione della gabbia di campo. Quando i rivelatori di luce estremamente sensibili noti come tubi fotomoltiplicatori criogenici rilevano la luce di accompagnamento — indicando che gli elettroni si stanno spostando verso i fili — viene registrata la carica di ogni elettrone. Tali dati possono essere utilizzati per ricostruire un'immagine 3-D del percorso del neutrino.
Per gentile concessione di Janet COnrad
MicroBooNE può registrare un milione di volte più eventi di neutrini di una camera a bolle nello stesso lasso di tempo. E il deep learning può essere utilizzato per analizzare il vasto numero di immagini digitali che produce. Quando stai cercando prove di una varietà mai vista prima di una particella già sfuggente, la capacità di raccogliere e analizzare enormi volumi di dati è fondamentale.