E soprattutto è proprio esclusivamente dell’uomo l’accurata e laboriosa ricerca del vero.
Cicerone.
E' nato il 4 luglio ufficialmente in Europa, al CERN di Ginevra, il più grande centro di ricerca di fisica nucleare al mondo. L'annuncio, con tutte le precauzioni, è quello che tutti si aspettavano: è lui, con tutta probabilità, con una parte su un milione di incertezza, il bosone di Higgs, la particella la cui esistenza è stata proposta da Peter Higgs, nel 1964. Lo dicono i risultati dei miliardi e miliardi di "collisioni" fra particelle a velocità prossime a quelle della luce create nel 2011 e 2012 nel più grande acceleratore di particelle mai costruito, il Large Hadron Collider, LHC. Lì dentro magneti alti una ventina di metri hanno guidato con precisione assoluta i fasci di particelle a collidere a velocità prossime alla luce. Dalle collisioni di fasci che girano nell'LHC in senso opposto e dall'analisi dei frammenti delle collisioni compare il bosone di Higgs. Giova pensare che su miliardi e miliardi di "scontri" che si provocano ogni giorno dentro LHC solo pochi possono contenere i segnali giusti. E quel che ne è venuto fuori è una nuova particella, le cui caratteristiche sono compatibili con quelle del bosone che si cerca da 50 anni, con una massa di 125.3 GeV. Una particella bella pesante insomma, dato che sarebbe 133 volte più massiccia del protone. Ma c'è prudenza e molti pensano siano necessari altri mesi di esperimenti, raccolta dati e studio. Ma se non fosse Higgs sarebbe quasi meglio per molti fisici, sarebbe infatti una particella nuova, sconosciuta e senz'altro importante, data la massa non trascurabile. Daniela Bortoletto, italiana che insegna alla Purdue University in USA e fa la spola fra il più grande laboratorio di fisica nucleare americano, il Fermilab e LHC a Ginevra è fra i prudenti, entusiasti ma prudenti ed è la persona ideale, quasi di raccordo fra i due mondi che si sono passati il testimone della caccia a Higgs. "In USA non avevamo la potenza necessaria per andare oltre un ragionevole sospetto e quindi ora si torna qui a Ginevra e i risultati sono eccezionali". La scoperta del Bosone di Higgs è stata ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle sue caratteristiche sono, però, tuttavia ancora incompleti. Il Large Hadron Collider è stato spento all'inizio del 2013 ed è previsto rimanga inattivo fino al 2015 a causa di importanti lavori di rinforzo dei dispositivi di sicurezza, prima di riprendere gli esperimenti raggiungendo la massima energia di 14 TeV. Molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello standard alla scala del TeV, a causa di alcune proprietà insoddisfacenti del modello stesso. In particolare i ricercatori (tra cui molti italiani, secondi finanziatori e seconda comunità scientifica del Cern) sperano di verificare l’esistenza delle particelle più sfuggenti della materia e comprendere la natura della materia e dell’energia "oscure", che costituiscono rispettivamente il 23% e il 72% dell’universo (l'energia e la materia visibili ne costituiscono solo il 5%).
Il bosone è scherzosamente chiamato 'particella di Dio' perché grazie ad essa ogni cosa ha una massa e la materia esiste così come la conosciamo. I fisici preferiscono chiamarla bosone di Higgs, dal nome del britannico Peter Higgs che ne aveva previsto l'esistenza. Una particella come questa è necessaria: è l'ultimo mattone del quale la fisica contemporanea ha bisogno per completare la principale delle sue teorie, chiamata Modello Standard. Questo è una sorta di "catalogo della materia" che prevede l'esistenza di tutti gli ingredienti fondamentali dell'universo così come lo conosciamo. Comprende 12 particelle elementari organizzate in due famiglie: i quark (un quark è un fermione elementare che partecipa all'interazione forte. In natura i quark non si trovano mai isolati, ma solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone, i quark sono sei, denominati: up, down, charme, strange, top e bottom) e i leptoni. Un leptone è una particella che a oggi si ritiene sia puntiforme, quindi fondamentale, cioè non composta da altre particelle (al contrario degli adroni che sono composti da quark). I leptoni sono suddivisi in tre famiglie: gli elettroni, i muoni ed i tauoni; ad ognuna di queste è associato un particolare neutrino. Tutti i leptoni conosciuti fanno parte della famiglia dei fermioni, poiché hanno tutti spin 1/2 inoltre hanno tutti una carica. Ci sono sei tipi di leptoni: tre con carica negativa e tre con carica neutra. L'elettrone, il muone e il tauone si differenziano per la loro massa. In tal senso, una delle sfide più importanti della fisica moderna riguarda proprio la ricerca del motivo di questa differenza in massa. Il Modello Standard prevede l'esistenza di una particella molto pesante, proprio il bosone di Higgs, che determinerebbe, a seconda dell'interazione con i leptoni, la loro massa.
In sostanza, secondo il Modello Standard la materia è costituita da particelle dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni fondamentali mediate da altre particelle elementari i bosoni di gauge. (In natura sono state individuate quattro forze fondamentali, o interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole. Per energie dell'ordine dei 100 GeV, la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole si presentano come un'unica interazione, nota come interazione elettrodebole. I fotoni sono i bosoni di gauge delle interazioni elettromagnetiche, i gluoni sono i bosoni di gauge delle interazioni nucleari forti, e i bosoni W e Z sono i bosoni di gauge delle interazioni deboli. I gravitoni, che potrebbero esere i bosoni di gauge dell'interazione gravitazionale non sono stati ancora individuati).
I fermioni sono raggruppati in tre generazioni, ognuna composta da due leptoni e due quark; complessivamente la materia è costituita, quindi, da 6 quark e 6 leptoni.
Come s'è detto, la materia comprende una famiglia di particelle, dette bosoni di gauge, che sono i messaggeri delle tre interazioni,chiamate forza forte, elettromagnetica e debole. Di queste particelle-messaggero fanno parte i componenti elementari della luce chiamati fotoni, e i gluoni, che sono la colla che unisce fra loro i mattoni della materia, come i quark nel nucleo dell'atomo.
Tutti questi componenti della materia sarebbero privi di massa: è il bosone di Higgs che li costringe a interagire tra loro e ad aggregarsi. Il cosiddetto meccanismo di Higgs è il meccanismo teorico che conferisce massa ai bosoni di gauge e, nel suo aspetto più generale a tutte le particelle. Per questo in una delle descrizioni più celebri si paragona il bosone di Higgs ad un personaggio famoso che entra in una sala piena di persone, attirando intorno a sè gran parte dei presenti. Mentre il personaggio si muove, attrae le persone a lui più vicine mentre quelle che lascia alle sue spalle tornano nella loro posizione originale e questo affollamento aumenta la resistenza al movimento. Vale a dire che il personaggio acquisisce massa, proprio come fanno le particella che attraversano il campo di Higgs: le particelle interagiscono fra loro, vengono rallentate dall'attrito, non viaggiano più alla velocità della luce e acquisiscono una massa.
Peter Higgs (a destra) e Francois Englert
Peter Higgs e François Englert hanno conquistato il Nobel a mezzo secolo da quando, nel 1964, previdero la “particella di Dio”. Al Cern, ai fisici dei due esperimenti che nel 2012 hanno effettivamente trovato la particella tanto attesa – Atlas e CMS – va una gloria riflessa. Diversamente andarono le cose con le particelle W e Z, che nel 1979 diedero il Nobel a Salam, Glashow e Weinberg per la teoria, e poi nel 1984 a Rubbia e Van der Meer per la scoperta sperimentale. Il meccanismo del premio Nobel ha le sue strettoie: può premiare al massimo tre persone. Non c‘era posto per due fisici sperimentali, uno per ciascun esperimento del Cern. Ci sarebbe stato per Robert Brout ,il terzo fisico teorico che previde la particella indipendentemente da Higgs (84 anni) e Englert (83 anni), ma lui non c’è più, stanco di aspettare, se n’è andato il 3 maggio del 2011, a 83 anni. Il Nobel si vince anche con la longevità, Brout partiva svantaggiato dall’anagrafe. Giusto riconoscimento per i superstiti, grande festeggiamenti al Cern. Questo Nobel non sarebbe stato possibile senza la gigantesca macchina LHC del Cern di Ginevra, un anello di magneti superconduttori lungo 27 chilometri per far scontrare protoni contro protoni a energie mai raggiunte prima. Non sarebbe stato possibile senza che due esperimenti indipendenti fornissero la stessa evidenza della ”particella di Dio” o “bosone di Higgs”, che d’ora in poi dovremo per correttezza chiamare “particella di Englert-Higgs-Brout” o, in modo più anonimo e neutro, “bosone scalare”. Questo Nobel, infine, non sarebbe stato possibile, se i cittadini europei che pagano le tasse non avessero finanziato il Cern con 8 miliardi di euro. Anche per loro, anche per noi, aqndrebbe un po' di gloria. Una cosa bisogna ancora aggiungere. Gli esperimenti Atlas e CMS e i loro leader Fabiola Gianotti e Joseph Incandela, hanno alle spalle circa cinquemila fisici, ingeneri e tecnici. La popolazione di una piccola città. Così, può essere interessante fare qualche considerazione. La prima. Alfred Nobel nell’istituire il Premio, volle orientarlo verso obiettivi pratici, di interesse immediato per l’umanità, né poteva essere diversamente, essendo egli un chimico “di cucina” che aveva fatto i soldi con la dinamite aggiungendo farina fossile alla nitroglicerina, già inventata dal casalese Ascanio Sobrero (per applicarla alla cura di malanni cardiaci). Con il tempo, però, molti Nobel sono stati assegnati anche a scoperte “astratte”, teoriche, di conoscenza pura o scienza fondamentale che dir si voglia, e la fisica è la disciplina che più ha beneficiato di questo orientamento in parte divergente dalle volontà testamentarie. Basta pensare a Salam, Glashow, Weinberg, Rubbia. Con Englert e Higgs si è avuta una clamorosa conferma. Questa è una tendenza positiva, perché riconosce davanti al mondo intero che la conoscenza pura e disinteressata è più importante di qualsiasi invenzione o applicazione pratica, per il semplice motivo che queste non sono possibili senza quella. La seconda osservazione riguarda una mutazione che la scienza contemporanea sta introducendo. Nel 2011 il Nobel è andato ai tre astrofisici Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt che nel 1998 scoprirono l’accelerazione del moto di espansione dell’universo. Tale accelerazione ha singolari prerogative. Non se ne conosce la causa: abbiamo solo ipotesi vaghe. Tra queste la più accreditata è l’energia oscura. Che per l’appunto è oscura, e quindi per ora sfugge alla certificazione del laboratorio. Però è compatibile con un’altra ipotesi: l’inflazione cosmica (In cosmologia il termine inflazione si riferisce all'ipotesi che l'Universo, poco dopo il Big bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida, dovuta a una pressione negativa generata da una grande energia positiva del vuoto). Ipotesi che si appoggiano a ipotesi. Il confine tra osservazione, teoria ed esperimento, tra conoscenza e ignoranza, diventa scivoloso. Karl Popper forse avrebbe qualcosa da dire in merito. Ma anche prescindendo dal requisito popperiano di falsificabilità, la scoperta dell’accelerazione del moto di espansione dell’universo interroga soprattutto la filosofia. Se l’espansione dell’universo continuerà ad accelerare, le galassie più lontane che per adesso ancora vediamo e sulle quali l’accelerazione è stata osservata, spariranno, perché la loro luce si sposterà sempre più verso il rosso, l’infrarosso, le onde radio, fino ad assumere una lunghezza d’onda maggiore dell’universo stesso. Tanto per cominciare, a lungo termine, miliardi e miliardi di anni, l’osservazione non è ripetibile. C’è di più. L’accelerazione espansiva in una inflazione cosmica perenne, non implicando spostamento di materia, può superare la velocità della luce senza entrare in contraddizione con la teoria della relatività di Einstein. L’espansione, insomma, comunque la si guardi, sembra destinata a portare le galassie oltre il confine dell’osservabilità, e in un universo estremamente espanso, gli astrofisici del futuro remoto potrebbero trovarsi a lavorare non solo su galassie scomparse ma su un universo del tutto inaccessibile, senza aver mai avuto accesso a nessun oggetto astronomico sensibile. Sarebbe un’astrofisica senza astri e senza fisica. Qui arriva la domanda ai filosofi: qual è lo statuto ontologico di quelle galassie? Sono fisica o metafisica? E che dire del la particella di Higgs, privata delle sue conseguenze cosmologiche che si manifestarono un istante dopo il Big Bang?
..... Eugenio Caruso - 8 ottobre 2013
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