Il maestro dei dati

Se si vuole capire la natura, non bisogna avere paura dei big data. Quasi nessuno lo sa quanto Stefan Ritt. Il responsabile del gruppo di ricerca sulla fisica dei muoni del PSI deve gestire una grande quantità di dati: "Nella seconda fase di espansione dell'esperimento Mu3e, vogliamo misurare due miliardi di decadimenti di muoni al secondo. Si tratta di 200 gigabyte al secondo: un normale disco rigido si riempirà in meno di un minuto".

Stefan Ritt e il suo team stanno cercando tra le montagne di dati reazioni che in realtà non dovrebbero esistere, almeno non secondo il modello standard della fisica delle particelle. Tuttavia, da tempo ci sono molte indicazioni che questo modello non racconta tutta la storia. Se i ricercatori riusciranno a dimostrare che il decadimento "Mu3e", cioè la transizione di un muone in due positroni e un elettrone, esiste davvero, apriranno una porta su un regno oscuro della fisica sconosciuta. Forse si avvicinerebbe anche alla risposta alla domanda su cosa sia effettivamente un quarto della materia dell'universo, che conosciamo solo come materia oscura.

Duecento piramidi di Cheope e un ago

Ma prima di poter osservare il decadimento dei muoni, è necessario produrre le particelle volatili, in grandi quantità e in modo continuativo. Al PSI questo avviene presso la Sorgente Muonica Svizzera SμS (pronuncia es-mü-es) e l'Infrastruttura di Ricerca Svizzera per la Fisica delle Particelle CHRISP: i protoni, cioè i nuclei di idrogeno, si scontrano con grande forza con i cosiddetti bersagli. Questo produce muoni, che sono sostanzialmente parenti pesanti degli elettroni. Le particelle elementari vivono giusto il tempo necessario per essere guidate da magneti in apparati di misura, dove i fisici possono fermarle e osservarne il decadimento.

Attualmente l'impianto PSI produce circa cento milioni di muoni al secondo per un singolo esperimento. Ciò la rende la più potente sorgente continua di muoni al mondo. Tuttavia, su un quadrilione di decadimenti "consentiti", dovrebbe verificarsi un solo decadimento mu3e: "L'immagine di un ago in un pagliaio non è più accurata", dice Ritt. "A meno che non si riesca a immaginare un pagliaio grande come duecento piramidi di Cheope".

MIDAS - uno per tutti

Una tale mole di dati non richiede solo sistemi potenti, ma anche il software giusto, che Stefan Ritt ha sviluppato da solo come giovane fisico del PSI: MIDAS, il "Maximum Integration Data Acquisition System". "Con il software che avevamo a disposizione all'epoca, a volte avevamo quattro o cinque sistemi in esecuzione in parallelo", ricorda Ritt. "Non mi piaceva. Volevo qualcosa che riunisse tutti i dati in un unico database".

Un unico database per tutti, questa è l'idea alla base di MIDAS. La prima versione fu pronta nel 1996. Era ancora controllato tramite linee di comando, ma oggi tutto funziona tramite le moderne interfacce grafiche e persino tramite smartphone. MIDAS è indipendente dall'hardware e funziona su tutti i sistemi operativi comuni. Questo è anche il motivo principale per cui, dopo 30 anni, viene ancora utilizzato ben oltre il PSI. Il software funziona in centri di ricerca in Europa, Giappone e America. "MIDAS è così stabile che centinaia di megabyte al secondo possono girare su decine di computer per mesi senza che il programma si blocchi mai".

Il software è anche estremamente flessibile. Sono sufficienti circa 300 righe di codice per adattare MIDAS a un nuovo esperimento, mentre le altre 300.000 righe rimangono invariate.

"Penso che sia fantastico poter capire e calcolare la natura!".

Elettronica e software sono nel sangue di Stefan Ritt. Suo padre, ingegnere elettrico, gli ha insegnato a saldare da bambino. Da scolaro, insieme a un amico, ha sviluppato un sistema di controllo per microcomputer per telescopi, molto prima che questo diventasse lo standard tra gli astronomi dilettanti. Spiega perché ha deciso di studiare fisica all'Università di Karlsruhe invece di intraprendere la carriera di ingegnere informatico: "Una volta un insegnante ci ha mostrato come sparare una palla di metallo in un bicchiere d'acqua al primo tentativo, calcolando la forza della molla e la traiettoria parabolica. Così si può capire la natura e si possono calcolare cose che accadono davvero. Ho pensato che fosse una cosa fantastica".

Il suo professore a Karlsruhe lo ha portato alla fisica delle particelle. Ha conosciuto il PSI durante uno stage nel 1988. È stato lì che ha lavorato per la prima volta all'acquisizione dei dati per un esperimento moderno. "È lì che è iniziato tutto: La combinazione di ricerca di base e tecnologia, sviluppo di elettronica e software ed esperimenti veramente 'all'avanguardia'".

Il fascino della fisica "proibita

Come Mu3e, uno di questi esperimenti si è occupato di un decadimento "proibito" del muone che non dovrebbe nemmeno esistere secondo il modello standard. Nell'esperimento MEG, Ritt e il suo team hanno cercato il decadimento esotico di un muone in un elettrone e in una particella leggera. Non l'hanno trovato, ma hanno ottenuto la misura più precisa fino ad oggi. "Dopo quindici anni, possiamo escludere molte nuove teorie che vanno oltre il modello standard. Quindi non stiamo solo misurando lo "zero", ma un'importante soglia inferiore".

L'esperimento di follow-up Mu3e è in costruzione dal 2012. Ritt si aspetta i primi dati dall'autunno. L'esperimento dovrebbe poi essere spento alla fine del 2027, quando inizierà il progetto su larga scala del PSI IMPACT. Nell'arco di due anni verranno costruite due nuove stazioni bersaglio che genereranno un fascio di muoni a una velocità dieci volte superiore.

A ciò si aggiunge il Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) Muoniverse, lanciato all'inizio dell'anno sotto la guida del PSI. Nei prossimi anni verranno create altre infrastrutture a questo scopo, con le quali i muoni potranno essere utilizzati per le analisi dei materiali, per lo sviluppo di nuovi materiali quantistici o anche in archeologia, ad esempio. IMPACT e Muoniverse garantiranno quindi al PSI un ruolo di primo piano nella fisica dei muoni per molti anni a venire. E naturalmente il software MIDAS di Stefan Ritt giocherà un ruolo centrale in tutto questo: "Molti sottoprogetti di Muoniverse richiedono l'acquisizione di dati, ed è per questo che fornisco consulenza a tutti i gruppi e supporto diretto".

Quando gli si chiede come, con il supporto di un piccolo team, sia stato in grado di continuare a sviluppare questo software unico per oltre 30 anni senza perdere la sua spinta, il fisico ha una risposta chiara: "Grazie agli esperimenti. Sapere che il mio software aiuta il nostro team al PSI, ma anche i colleghi di tutto il mondo, a fare una fisica migliore e a ottenere importanti approfondimenti, è la ricompensa più importante!"