Tracce della particella J/Ψ già nel 1970

Figura 1 A sinistra, la sezione d'urto nella produzione di una coppia di muoni in funzione della massa, come riportata nell'articolo di Lederman del 1970. Si vede chiaramente la spalla alle energie di 3-3,5 GeV. A destra, il grafico che riporta la scoperta della J/Ψ nel 1974 ai Laboratori Nazionali di Brookhaven.

Le prime tracce della particella J/Ψ apparvero già nel 1970, ben quattro anni prima della sua effettiva scoperta. Nei Laboratori Nazionali di Brookhaven, Stati Uniti, dove era in funzione il proto-sincrotrone, erano in corso studi sulla produzione di coppie di muoni e, nel grafico che rappresenta l'andamento della sezione d'urto in funzione della massa, si vede chiaramente una "spalla" nell’intervallo di energie compreso fra 3 e 3,5 GeV. Quella strana "gobba", come la chiamerà Leon M. Lederman nel 1988, in occasione della Lecture che tenne per il conseguimento del Nobel, era proprio il segnale della particella J/Ψ. Nei Laboratori Nazionali di Frascati, dove era in funzione ADONE, non seppero nulla di questo articolo, o forse non gli diedero importanza.

L'articolo del 1970, "Observation of Massive Muon Pairs in Hadron Collisions", fu pubblicato su Physical Review Letters (vol. 25, n. 21, 1970) e firmato (fra gli altri) da L. M. Lederman, dei Brookhaven National Laboratory, e dall'italiano E. Zavattini, dei Laboratori svizzeri del CERN. Per la segnalazione di questo articolo, di cui non ero a conoscenza, devo ringraziare Stefano Marcellini, ricercatore INFN, con il quale sono entrato in contatto tramite il mio blog (e questo non può che farmi piacere). Nell'articolo si legge: "As seen both in the mass spectrum and the resultant cross section dσ/dm, there is no forcing evidence of any resonant structure".  Poi, dopo una serie di considerazioni sui metodi di analisi utilizzati, l'articolo prosegue: "Indeed, in the mass region near 3,5 GeV/c², the observed spectrum may be reproduced by a composite of a resonance and a steeper continuum."

Come spiega Lederman nella sua Lecture del 1988, durante queste misure sulle coppie di muoni, tenute fra il 1968 e il 1969, i rilevatori in funzione presso il proto-sincrotrone di Brookhaven non avevano la risoluzione necessaria per individuare una risonanza stretta come quella della J/Ψ. Poi l'esperimento venne ripetuto nel 1974 dal gruppo guidato da Samuel Ting (Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1404, 1974) con uno spettrometro magnetico basato su camere proporzionali a multifili. In questo modo, "the shoulder was refined by the superior resolution into a towering peak called the J particle."

Ebbene si, la J/Ψ è l'unica particella ad avere un doppio nome. Il motivo è che la scoperta proviene sia dal proto-sincrotrone dei Laboratori di Brookhaven, dove Samuel Ting la chiamò J, sia da SPEAR, l'anello di accumulazione per elettroni e positroni dell'università di Stanford, dove Burton Richter la chiamò Ψ. Da qui l'unione dei due nomi in J/ Ψ. La storia della scoperta di questa particella non fu affatto lineare e riserva tutta una serie di aneddoti e di ricostruzioni storiche che prometto saranno oggetto di un mio successivo post.

Cerchiamo ora di contestualizzare l'articolo di Lederman e Zavattini del 1970 da un punto di vista storico. ADONE, l'anello di accumulazione per elettroni e positroni di Frascati, "nato per andare a caccia di risonanze strette", come ricorda sempre Carlo Bernardini, era entrato in funzione nel dicembre 1969, dunque già da qualche mese. SPEAR, l'anello statunitense di Stanford, che  nel 1974 individuerà la J/Ψ parallelamente al proto-sincrotrone di Brookhaven, nel 1970 era ancora in fase di progettazione e sarebbe entrato in funzione solo nel 1972. Il 1970 è inoltre l'anno nel quale viene proposto (S. L. Glashow, J. Iliopoulos, and L. Maiani, Phys. Rev. D 2, 1285, 1970) il cosiddetto "meccanismo GIM" (dalle iniziali dei tre autori) e con esso viene ipotizzata l'esistenza di un quarto quark oltre ai tre già noti: il charm. Una stima sulla massa di un quarto quark era già stata avanzata da Ioffe & Shabalin (J. Nucl. Phys. 6 (1968) 603) che valutarono m_c = 1,5 - 2 GeV. Questo significa che, già fra il 1968 e il 1970, l'esistenza di uno stato del charmonio, ovvero di una particella come la J/Ψ formata da un quark e un antiquark di tipo charm,  era ipotizzabile con una massa compresa fra i 3 e i 4 GeV. Inoltre l'articolo di Lederman e Zavattini, sempre del 1970, con un'evidente spalla proprio in quella zona di energia, avrebbe potuto fornire un'ulteriore prova della presenza di una risonanza.

Come ho già detto, SPEAR non era ancora entrato in funzione, a Brookhaven non avevano ancora un apparato sperimentale adeguato per l'individuazione di risonanze strette, e gli anelli di accumulazione entrati in funzione di Francia e Unione Sovietica non avevano energie sufficienti nemmeno per avvicinarsi alla produzione del charm. Gli unici al mondo che avrebbero potuto scovare la J/Ψ già dal 1970, sulla base di quanto detto fin'ora, erano i fisici di Frascati con ADONE. Anche se è bene ricordare che ADONE fu costruito con un'energia massima di 3 GeV nel centro di massa e, per questioni di sicurezza, lavorava ad un'energia massima di 2,8 GeV, mentre la J/Ψ ha una massa di 3,1 GeV. E' anche vero però, che non appena arrivò la notizia da Brookhaven della scoperta della J/Ψ, a Frascati decisero di forzare la macchina oltre soglia ed in soli due giorni anche ADONE individuò il limpido picco della risonanza.

Ho avuto modo di parlare con Carlo Bernardini qualche giorno fa, in occasione della presentazione del mio lavoro di ricerca alla libreria assaggi di Roma, dove mi ha confessato che lui non era a conoscenza dell'articolo di Lederman e Zavattini del 1970. E' inoltre noto che anche l'articolo di Glashow, Iliopoulos e Maiani venne praticamente ignorato fino al 1974, quando poi venne "riscoperto" per spiegare la natura della J/Ψ.

Le ricostruzioni a posteriori, certamente, da un punto di vista scientifico, lasciano il tempo che trovano. A decenni di distanza è normale che tutto appaia più limpido. La realtà è che, nel 1970, nemmeno Lederman e gli altri autori dell'articolo diedero importanza a quella "spalla", e all'esistenza del charm ancora non ci credeva quasi nessuno. Un'altra considerazione riguarda il meccanismo di circolazione delle informazioni di allora, che non è in alcun modo paragonabile a quello di oggi. La diffusione delle pubblicazioni scientifiche su scala globale non era immediata come lo è oggi grazie ad internet e di conseguenza non c'è da stupirsi se a Frascati non erano a conoscenza in quegli anni dell'articolo di Lederman.

Quella di ADONE rimane dunque una vicenda sfortunata. Prevedere l'esistenza di una particella come la J/Ψ era molto difficile, prevedere dove esattamente potesse essere era impossibile. Ma le ricostruzioni storiche servono anche a questo: a capire come i progressi della scienza, che a volte possono sembrare semplici e lineari, siano in realtà dovuti ad un intreccio di fattori scientifici, sociali, storici e pure geografici, che alla fine possono determinare la fortuna o meno di un esperimento. Fortuna oppure sfortuna. Come nel caso di ADONE.

Per approfondire:
1) ADONE: Storia dell'anello di accumulazione per elettroni e positroni
2) "The Rise of the Standard Model - Particle Physics in the 1960s and 1970s", Edited by L. Hoddenson, L. Brown, M. Riordan and M. Dresden, Cambridge University Press, 1997
3) "The Hunting of the Quark - A true story of modern Physics", di Michael Riordan, 1987

Con Carlo Bernardini e Giovanni Battimelli alla libreria asSaggi di Roma

Due giorni fa ho avuto il piacere di presentare la ricerca che ho svolto per la mia tesi di laurea alla libreria assaggi di Roma. Gioia ancora più grande è stato poterlo fare insieme a Carlo Bernardini, uno dei protagonisti di questa storia e che, come sempre, ci ha affascinato con i suoi ricordi ed i suoi racconti. E con Giovanni Battimelli, che purtroppo in questa occasione era completamente senza voce, ma non ha comunque mancato di dare il suo contributo e che ringrazio per aver organizzato l'evento (e per avermi condotto fino al termine del mio percorso di studi).
Abbiamo ricordato Bruno Touschek, il suo estro, la sua genialità. Bernardini ci ha lasciato senza fiato nel descriverci l'avventura della costruzione di AdA, il primo ed il più piccolo anello di accumulazione materia-antimateria che sia mai stato costruito. Io invece mi sono concentrato sul cuore della mia tesi e quindi su ADONE, la macchina che a Frascati ha preso il posto di AdA e che per un pelo non ha sfiorato la "rivoluzione di novembre" con la scoperta della particella J/Psi.
Se vi interessa e avete un'oretta da perdere, qui sotto ci sono i due video dell'incontro.

Touschek e gli anelli di accumulazione a Frascati. La mancata "rivoluzione di novembre"

Mercoledì 21 maggio presenterò la ricerca che ho svolto per la mia tesi di laurea alla libreria assaggi di Roma. Avrò il piacere di farlo insieme a Giovanni Battimelli e Carlo Bernardini. Se siete interessati, intanto vi consiglio di leggere il Prologo della mia tesi. Se poi vorrete andare avanti, allo stesso link trovate il pdf scaribile. 
L'appuntamento di Mercoledì è alle 19:30 in via degli Etruschi 4.

Laboratori Nazionali di Frascati, 10 novembre 1974. Squilla il telefono, a rispondere è Giorgio Bellettini, Direttore dei Laboratori. "Abbiamo individuato una nuova risonanza. E' estremamente stretta e si trova a 3,1 GeV." La voce era quella di Sau Lan Wu, collaboratrice di Samuel Ting ai Laboratori di Brookhaven negli Stati Uniti. A Bellettini si gelò il sangue. Andò di corsa nella sala di sperimentazione e, dopo essersi consultato con Ferdinando Amman, il capo dei macchinisti, prese la decisione: "Dobbiamo rischiare. Portiamo Adone oltre la sua energia massima, fino a 3,1 GeV".

Fu così che, anche a Frascati, si individuò il limpido segnale di una nuova particella, chiamata J/Ψ, che di lì a poco avrebbe rivoluzionato la fisica delle particelle. Purtroppo però, i primi a varcare la soglia della "rivoluzione di novembre" non furono i fisici italiani, ma quelli che lavoravano negli Stati Uniti. Samuel Ting e Burton Richter vennero premiati con il Nobel per la fisica nel 1976. Agli scienziati italiani non spettò nessun riconoscimento.

Eppure, proprio a Frascati inizia questa storia. Era il marzo del 1960 quando Bruno Touschek espose la sua geniale idea: l'esplorazione della fisica delle alte energie tramite gli urti fra elettroni e positroni, "particelle civili", che da lì in poi avrebbero per lungo tempo soppiantato quella confusionaria "teppa adronica" composta dai protoni.

Dall'idea di Touschek nacque prima un prototipo, AdA, il primo Anello di Accumulazione materia-antimateria. Successivamente nacque Adone, l'acceleratore che, con 3 GeV nel centro di massa, detenne per qualche anno il primato di energia fra gli acceleratori terrestri.

Adone era nato per andare a caccia di risonanze strette, ovvero, di nuove particelle con un'elevata massa ma estremamente difficili da individuare. Di queste particelle, nello spettro di energie esplorabile da Adone, non v'era traccia. Ma la J/Ψ non era affatto lontana. Per scovarla, sarebbero bastati pochi passi oltre la soglia massima di Adone.

A quarant'anni dalla scoperta della J/Ψ e dalla "rivoluzione di novembre", che sancì la definitiva consacrazione del Modello Standard delle particelle elementari, torniamo a raccontare una vicenda che vede tante storie racchiusa in una. Quella di Bruno Touschek e della sua straordinaria vicenda umana e scientifica; quella degli scienziati e dei tecnici dei Laboratori di Frascati, per lo più giovanissimi, che hanno creduto e dato vita ad un'impresa inimmaginabile prima d'allora; quella del "miracolo scippato", dei "casi" Mattei, Ippolito ed Olivetti, del grande sviluppo scientifico e tecnologico di questo Paese, frenato da un intreccio di faide politiche interne e da ingerenze, pressioni e sabotaggi da parte di governi stranieri e potentissime multinazionali.

Un intreccio di vicende, sociali e scientifiche, assolutamente attuali, capaci di accompagnarci fino alle attuali sperimentazioni nel campo della fisica delle particelle e alle più recenti scoperte.

 Ne parliamo con:

- Carlo Bernardini, fisico teorico che ha contribuito alla nascita e allo sviluppo di AdA e Adone.

- Giovanni Battimelli, storico della fisica, professore Associato - Università "La Sapienza" di Roma

- Giorgio Sestili, autore della tesi di laurea in Storia della Fisica dal titolo "Adone: storia dell'anello di accumulazione per elettroni e positroni"

Mercoledì 21 maggio, ore 19:30

Libreria Assaggi - Via degli Etruschi 4 (San Lorenzo), Roma

http://www.libreriaassaggi.it/  -  Twitter:  @libreriassaggi @GiorgioSestili

L'alba di una nuova fisica?

Il tempo scorre per tutti gli abitanti della Terra allo stesso modo? Se qualcuno avesse posto questa domanda nel XIX sec. gli interlocutori avrebbero manifestato un certo imbarazzo perché avrebbero pensato di trovarsi di fronte ad un pazzo che pone domande senza alcun senso. Oggi sappiamo che lo "scorrere" del tempo non è affatto assoluto e che esso dipende dallo stato di moto del sistema che si vuol misurare. E' difficile da accettare, ma passato, presente e futuro non sono gli stessi per ognuno di noi. Così, da Einstein in poi, non si è più parlato di spazio e di tempo come di due entità assolute e separate tra loro, bensì di spaziotempo. La realtà che ci circonda è una realtà a quattro dimensioni ed il tempo non è altro che la quarta dimensione dello spaziotempo, che si va ad aggiungere alla tre dimensioni spaziali.

Ad un secolo di distanza dalla teoria di Einstein, alcuni cominciano a guardare oltre e si domandano: "Condividiamo tutti lo stesso spaziotempo?" Prima di dar loro degli squilibrati, cerchiamo di capire su che basi poggia il loro dubbio.

Proprio intorno a questa domanda ruotava l'incontro, che si è tenuto Martedì 6 maggio alla Libreria assaggi di Roma, con Giovanni Amelino-Camelia ed intitolato  "Nuove sfide sperimentali per la fisica fondamentale, alla scala di Planck".

ADONE: Storia dell'Anello di Accumulazione per Elettroni e Positroni di Frascati

Questa è la mia tesi di laurea. Un lavoro di ricerca per il quale ho trascorso circa un anno della mia vita rinchiuso nel seminterrato del dipartimento di fisica de La Sapienza, in mezzo ad un mare di polvere. Si tratta di un luogo bellissimo. E' qui, negli archivi di Bruno Touschek, di Edoardo Amaldi e di Marcello Conversi, che mi sono appassionato a questa storia. E' qui che mi sono emozionato per cose che mai avrei immaginato potessero farmi palpitare il cuore in questo modo: ritrovarsi tra le mani il quaderno di laboratorio di AdA, scritto da Touschek, è un qualcosa di unico. 

Qui sotto potete leggere il Prologo della mia tesi. Se poi deciderete di andare avanti, allora potete leggere e scaricare l'intero pdf.
La mia tesi, come tutto ciò che scrivo in questo blog, ha una licenza  Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Non opere derivate 4.0 Internazionale. Ciò significa che potete leggere, scaricare, stampare, diffondere, pubblicare ed utilizzare tutti i contenuti presenti in ciò che scrivo, purché citiate l'autore e la fonte.

Ogni vostro commento sarà gradito. Potete scrivere su questo post, oppure direttamente a giorgio.sestili@gmail.com.

Buona lettura.

Prologo

Ricostruire storicamente la storia di Adone, l'anello di accumulazione per elettroni e positroni entrato in funzione nei Laboratori di Frascati nel 1969, dopo ben nove anni di "gestazione", significa raccontare tante storie in una.

La prima di queste storie riguarda Bruno Touschek, nato a Vienna il 3 febbraio 1921, figlio di Franz Xaver, un ufficiale dello Stato Maggiore dell'Esercito Austriaco che aveva combattuto sul fronte italiano durante la guerra del 1915-18, e di Camilla Weltmann. La madre di Touschek era ebrea e questo segnò indelebilmente la giovinezza del brillante ragazzo austriaco a cui, nel 1937, venne impedito di continuare a frequentare la scuola a causa del suo sangue misto. Touschek riuscì comunque a diplomarsi nel febbraio del 1938 e subito cercò di ottenere il visto d'ingresso in Gran Bretagna con lo scopo di andare a studiare chimica a Manchester. Era l'autunno del 1939, il patto Hitler-Stalin sancì l'inizio della seconda guerra mondiale, la Polonia venne invasa dalle armate russe e germaniche. Con la guerra in atto subito svanirono le speranze di un suo trasferimento e Touschek dovette rimanere a Vienna dove, senza dare troppo nell'occhio, cominciò a frequentare i corsi di fisica e matematica, e subito si distinse per essere il migliore del corso. Ma anche questa volta gli venne impedito di proseguire i suoi studi per ragioni razziali e, nel giugno 1940, venne cacciato dall'università di Vienna.

Dopo poco tempo Touschek riuscì a trasferirsi ad Amburgo dove, per mantenersi, svolgeva fino a quattro o cinque lavori contemporaneamente e, nel poco tempo libero, frequentava in forma non ufficiale i corsi di fisica all'università.

Ad Amburgo, Touschek aveva preso l'abitudine di frequentare la sede della Camera di Commercio, che disponeva di una sala dove era possibile leggere molti giornali stranieri. In questo modo, presto le attenzioni della Gestapo si concentrarono su di lui che venne arrestato all'inizio del 1945 per ragioni razziali e rinchiuso nel carcere di Amburgo.

Tra la fine di febbraio ed i primi di marzo del 1945 arrivò l'ordine di trasferire i prigionieri dal carcere di Amburgo ad un campo di concentramento a Kiel. Touschek, nonostante avesse la febbre molto alta, fu comunque costretto ad uscire dal carcere. Portava con sé il suo pesante pacco di libri, dal quale non si separava mai. I prigionieri marciavano in fila indiana scortati dagli agenti delle SS e, una volta arrivati alla periferia di Amburgo, Touschek fu preso da un malore e cadde privo di sensi nel canale a lato della strada. Un agente delle SS non ci pensò due volte, estrasse una pistola e gli sparò in testa. Credendolo morto, lo lasciarono lì, mentre la colonna di prigionieri proseguiva la marcia. In realtà il proiettile aveva provocato solo una ferita dietro l'orecchio di Touschek, il quale riuscì a rialzarsi e a raggiungere un vicino ospedale, dove fu prima medicato e poi nuovamente arrestato e rinchiuso nel carcere di Altona. Dopo altri tre mesi di prigionia, Touschek fu definitivamente liberato nel giugno del 1945.

Gli orrori della guerra e le follie delle leggi razziali non riuscirono così ad interrompere prematuramente l'avventura umana e scientifica di Bruno Touschek, un'avventura che, come vedremo, segnò profondamente lo sviluppo della fisica delle particelle.