Il Premio CHIPP 2017 assegnato a Johanna Gramling

La rilevazione sperimentale della materia oscura è una delle grandi sfide della ricerca nella fisica moderna. Quest’anno il premio dell’Istituto di Fisica delle Particelle (CHIPP) è stato assegnato al fisico Johanna Gramling per il suo contributo alla ricerca di questa componente misteriosa della materia.

The CHIPP Prize winner 2017: Dr. Johanna Gramling.
Immagine: private

"Sono estremamente contenta di aver avuto questo premio, lo accetto come un segno di apprezzamento del mio lavoro al CERN di questi ultimi anni" dice Johanna Gramling. La 29-enne fisico ha ricevuto il premio oggi, nell’occasione della riunione annuale del CHIPP a Ginevra[1].

Il premio viene assegnato ogni anno a un giovane ricercatore per una contribuzione scientifica eccezionale. E’ il riconoscimento più prestigioso nel campo della fisica delle particelle in Svizzera.

Il premio CHIPP è stato assegnato a Johanna Gramling per il lavoro svolto durante il suo dottorato di ricerca che ha terminato alla fine del 2016 all’Università di Ginevra. Il suo relatore, Prof. Xin Wu è uno specialista nel campo della materia oscura. Il lavoro scientifico di Gramling è il risultato di diversi anni di ricerca, svolto grazie al rivelatore ATLAS. ATLAS è uno dei quattro grandi esperimenti che operano all’acceleratore LHC del CERN. La giuria che ha assegnato il premio CHIPP ha premiato la ricercatrice con la laudatio: "per il suo lavoro nel campo della ricerca della materia oscura con il rivelatore ATLAS et per il suo ruolo nello stabilire l’uso di modelli teorici semplificati che possono aiutare l’interpretazione dei risultati".

Le grandi domande del genere umano

Johanna Gramling è nata nel 1988 a Darmstadt (Germania), figlia di un insegnante e di un ingegnere elettrico. Durante i suo anni scolastici sviluppò il suo interesse per la fisica e la filosofa: "Trovavo questi argomenti molto eccitanti, soprattutto se considerati insieme, sia la fisica che la filosofia cercano di rispondere alle grandi domande che il genere umano si pone, molto di più di altre discipline scientifiche" dice la Gramling. Quando era al liceo non aveva paura di porsi le domande più complicate. Durante un corso estivo di due settimane, lavorò sull’interpretazione della meccanica quantistica, un argomento di fisica che sfida la rappresentazione intuitiva che abbiamo del mondo.

Fisica e filosofia sono stati anche i suoi corsi di studio all’Università di Heidelberg. Dopo cinque anni completò gli studi, nel 2011, ottenendo la laurea. A quel tempo aveva già scoperto il CERN come il laboratorio di ricerca di punta nel mondo per la fisica delle particelle grazie a un progetto di ricerca svolto al CERN durante i suoi studi. Gramling ha fatto il lavoro di tesi in ALICE, anch’esso uno dei grandi esperimenti sull’acceleratore LHC del CERN.

La ricerca di una forma invisibile di materia

Dalla primavera del 2012, Johanna Gramling si è dedicata alla sua tesi di dottorato. Si è trasferita da Heidelberg a Ginevra per lavorare all’esperimento ATLAS del CERN. Nel tunnel circolare, lungo 27 km, del Large Hadron Collider (LHC) vengono fatti collidere protoni ad alta energia. I fisici che lavorano in ATLAS studiano quali particelle vengono create dalla collisione dei protoni. Analizzando queste particelle, estraggono informazioni sulla struttura della materia. In questo modo è stata scoperta la particella Higgs cinque anni fa.

Johanna Gramling, insieme al gruppo di fisici di ATLAS, vorrebbe trovare particelle nuove: quelle che formano la materia oscura. Queste particelle sono chiamate WIMP – che significa Weakly Interating Massive Particles, particelle con grande massa che interagiscono debolmente.

Anche se ancora oggi nessuno a mai osservato la materia oscura, i fisici suppongono che l’universo ne sia pieno. La materia oscura dovrebbe essere fino a cinque volte più abbondante della materia ordinaria che conosciamo e che possiamo vedere a occhio nudo o con i telescopi. Molti fenomeni in astrofisica possono essere spiegati solo se si ammette la presenza della materia oscura. Però le evidenze inconfondibili e sperimentali dell’esistenza di questa materia 'invisibile' mancano ancora.

In molte occasioni si è cercato di provare l’esistenza della materia oscura da quando l’astronomo svizzero Fritz Zwicky ha proposto la sua esistenza all’inizio del 1930. Durante gli ultimi anni, per avere la prova scientifica dell’esistenza della materia oscura sono stati costruiti grandi rivelatori sottoterra con la speranza di osservare direttamente delle collisioni tra WIMP e la materia ordinaria.

Altri metodi sono stati abbordati dai fisici per provare la sua esistenza indirettamente: hanno puntato i telescopi verso regioni in cui si suppone vi sia una grande densità di materia oscura, come nel centro della galassia o del sole. Questo tentativo è basato sull’assunzione che la collisione tra due WIMP produrrebbe della materia ordinaria che potrebbe poi essere rilevata sperimentalmente.

Purtroppo, al momento, la rilevazione della materia oscura non è ancora riuscita, sia con il metodo diretto che con quello indiretto.

I due segni distintivi della materia oscura

Johanna Gramling insieme ad altri suoi colleghi ha intrapreso una terza strada per svelare l’esistenza della materia oscura: vogliono utilizzare l’acceleratore di particelle LHC per produrre WIMP. Assumendo che si possano creare WIMP dalla collisione di due particelle di materia ordinaria (in questo caso: due protoni), la materia oscura potrebbe essere rilevata all’LHC. "Stiamo cercando evidenze di particelle prodotte nella collisione di due protoni che siano consistenti con quello che ci aspettiamo dalla produzione di particelle di materia oscura" dice Johanna Gramling.

Le considerazioni teoriche suggeriscono per esempio che possa essere osservata insieme a getti di particelle, o - più difficile da provare – insieme a una coppia di quark top. Il quark top è il più pesante dei sei quark conosciuti.

Se gli scienziati trovano evidenze di uno di questi due possibili segni distintivi nelle tracce generate dalle collisioni tra due protoni, allora sarebbe possibile la rivelazione della materia oscura. Questo è esattamente quello che Johanna Gramling sperava di ottenere nella sua tesi di dottorato.

Una mente brillante era assolutamente necessaria per raggiungere questo scopo: i fisici di particelle devono selezionare gli eventi candidati corrispondenti a questi due segni distintivi tra 700 milioni di collisioni di protone-protone per secondo che hanno luogo nell’LHC. In un secondo tempo, la Gramling stessa ha valutato se gli eventi selezionati erano abbastanza frequenti da essere interpretati statisticamente rilevanti: un segnale, dando quindi una prova dell’esistenza della materia oscura.

Per svolgere il suo lavoro la ricercatrice ha usato i dati delle collisioni tra protoni che LHC ha prodotto nel 2012 e quelli presi più tardi nel 2015/16. Per avere un idea della complessità di questo lavoro: nella ricerca di eventi candidati che contengono un quark top, Johanna Gramling ha esaminato un milione di milioni di eventi e ha identificato 35 candidati. In un primo momento, sembrava che lei e i suoi colleghi avessero finalmente una prova sperimentale dell’esistenza della materia oscura. Ma poi, aggiungendo altri dati, la rilevanza statistica dell’analisi è aumentata e con essa è arrivata la disillusione: la sperata scoperta della materia oscura si è rivelata non vera. Gli scienziati parlano di fluttuazioni statistiche.

Più dati ci sono, più sono complicate le evidenze sperimentali

Quello che Johanna Gramling ha dimostrato negli ultimi anni è che la materia oscura non può essere trovata nei dati di LHC del 2012 et 2015/16 né in concomitanza con un getto di particelle né con un quark top. Vuole dire che la materia oscura non sarà mai vista ? "No, assolutamente no," dice Johanna Gramling, "possiamo solo dire che non possiamo osservare la materia oscura con i dati analizzati fino ad ora. Forse il segnale sperato è molto, estremamente raro. In questo caso, possiamo ancora trovare i WIMP, grazie a uno di questi segni distintivi, utilizzando nelle nostre analisi future un numero ancora più grande di dati dalle collisioni di LHC."

Chi pensa che questo primo risultato negativo potrebbe scoraggiare Johanna Gramling si sbaglia. "Il mio lavoro è straordinariamente eccitante, voglio continuare, " dice il fisico, che progetta di includere nuovi concetti di materia oscura nel suo lavoro futuro. "C’è anche la possibilità che la materia oscura non consista esclusivamente di WIMP, ma di diverse particelle di materia oscura che hanno segni distintivi molto più complessi di quelli che abbiamo studiato fino ad ora. Abbiamo un lavoro affascinante davanti a noi."

La caccia alla materia, che nessuno ha ancora visto, continua. Johanna Gramling sta lavorando ora come ricercatore post-dottorato all’Università di California, ad Irvine. Lei appartiene ad un gruppo che lavora direttamente dal CERN. "Questa posizione mi permette di continuare a inseguire quelle domande che mi interessano di più." dice la Gramling. Lei e i suoi colleghi sono sicuri di ottenere nuovi risultati, che sono emersi dalla tesi di Gramling, nelle future ricerche di materia oscura. Johanna Gramling ha infatti esposto nella tesi dei modelli teorici semplificati che aumentano le probabilità di successo nella ricerca della materia oscura. Questi ‘modelli semplificati’ hanno portato la giuria del premio CHIPP a selezionarla e sono menzionati nella laudatio come un eccezionale risultato scientifico.

Autore: Benedikt Vogel

[1] Joint Annual Meeting of the Swiss Physical Society and Austrian Physical Society: https://indico.cern.ch/event/611331/overview

Temi associati

Porträt Lilian Witthauer
Premio CHIPP 2015

Cosa sia a tenere insieme il mondo nell’intimo suo essere è la domanda che si pone Heinrich Faust, l’erudito protagonista della famosa opera teatrale di Johann Wolfgang von Goethe. Per

Categorie

  • Fisica delle Particelle Elementari

Contatto

Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
c/o Prof. Dr. Rainer Wallny
ETH Zürich
IPA
HPK E 26
Otto-Stern-Weg 5
8093 Zürich

E-mail