Riflessioni su natura, particelle e mondo delle idee

Questi sono mesi emozionanti per chi studia materie scientifiche. A settembre la notizia sconvolgente di neutrini che viaggiano più veloci della luce, pochi giorni fa i primi dati che fanno sperare che al CERN di Ginevra abbiano finalmente trovato il bosone di Higgs. Si tratta di due importanti esperimenti che minacciano di sconvolgere o rafforzare, a seconda, ciò che sappiamo del mondo. Perché la fisica è la scienza che indaga le leggi fondamentali della natura, su cui poggia il resto delle nostre conoscenze: chimica, biologia, geologia, e via discorrendo.

 (L'immagine di Atlas è fornita dal CERN.)

L'impatto della prima notizia è sconvolgente. Ricordo ancora quando venne diffusa, l'eccitazione per qualcosa che andava e va oltre le aspettative, i seminari, le discussioni fra studenti, amici che mi contattavano come se poi ne capissi qualcosa! Ricordo anche le dichiarazioni dell'allora ministro Gelmini, che non avendo saputo difendere l'università pubblica dai tagli si è sentita in dovere di mistificare e gonfiare la reale portata dell'esperimento. Signor ministro, non vi è dubbio che gli scienziati italiani siano prodotti di ottima qualità e proprio per questo doveva cogliere l'occasione di alzare la cornetta e farsi spiegare meglio cosa era successo.

Naturalmente non basta una misura, per quanto eccezionale, a smontare teorie che funzionano e sono forti di un secolo o più di dibattito e conferme sperimentali (mi riferisco all'elettomagnetismo e alla relatività) ma ci colpì l'idea che in un attimo si fosse aperto un terreno nuovo e inesplorato.
Una cosa simile è successa in questi giorni, ma per ragioni diverse. LHC (Large Hadron Collider), l'acceleratore di particelle in funzione al Cern, era quasi agli sgoccioli. C'era già chi era pronto a dichiararne il fallimento, non per cattiveria ma perché l'Higgs non sembrava trovarsi nel range energetico in cui operava l'acceleratore. Eppure qualcosa si è visto! Abbiamo un candidato, il che significa che forse gli scienziati hanno davvero misurato qualcosa che può dare la conferma sperimentale del modello standard (e, per chi interessa, della teoria elettrodebole).

Una simpatica rappresentazione del modello standard. Per quale ragione il bosone di Higgs se ne sta tutto da da solo?

La fisica

Cos'è il modello standard? Il modello standard, come non-ricordo-chi lo ha definito, è una teoria del quasi-tutto, ovvero una teoria quantistica che descrive tre delle quattro forze fondamentali e le particelle ad esse collegate. In altre parole manca solo la gravità, che non è inclusa nel modello e per la quale ci dobbiamo "accontentare" della teoria della relatività generale. Le altre forze fondamentali sono la forza elettromagnetica, di cui conosciamo nel quotidiano la componente elettrica e quella magnetica, la forza debole e la forza forte, che sono forze nucleari e sub-nucleari che non siamo abituati a considerare a meno di non abitare di fianco a una centrale nucleare! Mi sento tuttavia di assicurare, in tutta onestà, che il raffreddore miete più vittime delle forze nucleari

Che cos'è una particella elementare? Dal nome, sono i costituenti ultimi della realtà. Qualcuno ricorderà l'atomismo di Democrito e di Epicuro. Ecco, una volta scoperto che la materia è composta da molecole, le molecole da atomi e gli atomi da elettroni e da un nucleo, a sua volta composto da neutroni e protoni, viene da chiedersi quanti altri passi occorrano per raggiungere i costituenti veramente fondamentali.
«Ok, da qualche parte dovremo pur fermarci!» La prima sorpresa è che l'elettrone è una di queste particelle, poiché non può essere diviso in due, tre o quattro parti: è un elettrone, punto e basta, e sia la sua carica sia la sua massa sono costanti fisiche. Per quanto riguarda neutroni e protoni il discorso è diverso e sono, in effetti, composti da particelle chiamate quark (da qui il nome di un noto format di divulgazione scientifica). Tre quark, selezionati opportunamente, compongono i protoni e i neutroni. La forza che lega i quark è forte rispetto alle altre, e proprio per questa l'hanno chiamata forza forte.

Anche alle forze si possono associare delle particelle, passando da una teoria di campo classica, che associa a ogni punto dello spazio un determinato valore, che so, del campo elettico, a una teoria che considera l'interazione come lo scambio di una particella. Nel caso della forza elettromagnetica fra due portatori di carica, per esempio, si ha lo scambio di un fotone.
Il fotone, se non lo avete riconosciuto, è il quanto (quantità discreta e indivisibile) di luce. Se la forza di gravità avrà una teoria quantistica, al campo sarà associata una particella chiamata gravitone. La ricerca di una teoria quantistica della gravità è la ricerca di una teoria del tutto che descriva tutte e quattro le forze fondamentali della natura.

In tutto questo dove entrano neutrini e bosone di Higgs? I primi fanno parte della stessa famiglia degli elettroni, anche se non hanno carica elettrica e interagiscono solo tramite forza debole e, grazie alla loro piccolissima massa, anche tramite forza di gravità. Il secondo è legato alla teoria elettrodebole, che lega tra loro la forza debole e la forza elettromagnetica. Senza entrare nei dettagli, il bosone è il responsabile di un campo che conferisce una massa alle particelle. È bene notare che teoria elettrodebole ha trovato conferme sperimentali in altri suoi aspetti.

 

Ecco il modello standard! In viola la famiglia dei quark che compongono, fra le altre cose, neutroni e protoni. In verde la famiglia dei leptoni, di cui fanno parte elettroni e neutrini. In rosso, sulla destra, i "bosoni vettori", ovvero le particelle di scambio che corrispondono alle interazioni elettromagnetica (fotone), forte (gluone) e debole (Z e W).

Le idee

Studiando fisica subnucleare capita spesso di interrogarsi sui paralleli tra le moderne teorie quantistiche e il mondo delle idee di Platone. Come l'Iperuranio è popolato dalle idee che possono interagire in vario modo con le entità terrene, così le grandezze e le entità elementari delle teorie concorrono a costituire il mondo materiale che ci troviamo di fronte.

Ogni semplice evento, come un oggetto (una mela) che cade in terra, può essere descritto diversamente a seconda del livello di dettaglio scelto. In prima approssimazione, entrano in gioco la gravità e la forza di contatto con la superficie sottostante. Poi c'è l'attrito. L'interazione di contatto e l'attrito non sono altro che espressioni di una complessa sovrapposizione dei potenziali elettromagnetici di ogni atomo, ogni molecola, che impediscono la compenetrazione tra gli oggetti materiali.

Dove sono le idee? Le particelle sono idee. Spesso non sono "reali" nel senso comune del termine, nel senso che non si comportano come palle da biliardo, di cui date le condizioni iniziali si può determinare il moto. Non si possono fotografare, né toccare. Pensate che le particelle più schive, come i neutrini, si possono rivelare solo tramite complessi esperimenti come quello al Gran Sasso, scavato all'interno di una montagna, o il Super-Kamiokande, una sfera ricoperta di specchi che farebbe impallidire il dottor Xavier (degli X-Men)!
La conferma che i neutrini hanno una massa è una scoperta recente, avvenuta decenni dopo la loro introduzione nei modelli di interazione debole. E il fatto che abbiano massa dovrebbe impedire il superamento della velocità della luce, ma chissà che questi pensieri sfuggenti non riescano ancora una volta a lasciarci di princisbecco.

Insomma, anche ai fisici piace navigare tra le idee, studiando, passo dopo passo, come queste sono in rapporto con il mondo che percepiamo ogni giorno.

Volete saperne di più?
Ecco una simpatica campagna di divulgazione realizzata dall'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare): "L'avventura delle particelle".