Giovedì 18 ottobre ore Sotto il bosone, niente? a cura di Maria Cristina Fighetti

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1 Giovedì 18 ottobre ore Sotto il bosone, niente? a cura di Maria Cristina Fighetti La conversazione di questa sera aspira ad avvicinare il clou della odierna teoria quantistica al pubblico ottimale (per il divulgatore ispirato): quello che non la sa. Non scoraggiatevi se vi sembrerà che vi sia sfuggito qualcosa nel nostro discorso. Richard Feynman, simpatico e grande fisico premio Nobel nel 1965, diceva: Se credete di aver capito la teoria dei quanti, vuol dire che non l avete capita. Chissà se riuscirò a comunicare anche a voi quello che io non ho mai capito! Richard Feynman (da Sei pezzi facili ): La natura, così come oggi siamo in grado di capirla, si comporta in modo tale che risulta fondamentalmente impossibile prevedere esattamente cosa succederà in un dato esperimento. È una cosa orribile. Infatti i filosofi avevano stabilito come uno dei requisiti fondamentali della Scienza che nelle stesse condizioni debba verificarsi la stessa cosa. Questo è semplicemente falso: non si tratta di una condizione fondamentale della scienza. Il fatto è che non succede la stessa cosa, e possiamo trovare solo una media dei risultati con metodi statistici. Ciononostante, la scienza non è completamente crollata. Tra l altro, i filosofi dicono un sacco di cose su cosa sia assolutamente necessario per la scienza, ed è sempre (per quello che si può vedere) piuttosto ingenuo, e probabilmente sbagliato. Si ringrazia: 1

2 Sotto il bosone? Questa storia comincia con l'intuizione di un professore di fisica di Edimburgo, Peter Higgs, che al momento della prima pubblicazione delle sue idee, per dirla gentilmente, era abbastanza snobbato dalla comunità fisica. P. Higgs così racconta: " il mio coinvolgimento nella fisica delle particelle ebbe inizio con l'assegnazione della docenza a Edimburgo, nel Già prima di assumere quell'incarico, tuttavia, ebbi l'occasione di entrare in contatto con alcuni membri della comunità dei fisici delle particelle, partecipando alla Scuola Estiva Scozzese al college di Newbattle Abbey, fuori Edimburgo. E nella cripta del college, di notte, un gruppo di studenti era solito discutere di fisica: erano Cabibbo, Glashow, Veltman e Derek Robinson. Da parte mia, non potei partecipare alle loro discussioni, perché in quanto membro del comitato organizzativo mi fu assegnato il compito di acquistare e custodire il vino per la cena e dovevo alzarmi presto! Anni dopo, quando conobbi Cabibbo personalmente, mi confidò che le conversazioni notturne alla Scuola Estiva erano state lubrificate da parecchio vino trafugato dal mio stoccaggio davvero poco sicuro. Ed ecco come cominciò la mia avventura nel mondo delle particelle ". Avviate le ricerche in quell'ambito, Higgs arrivò a proporre l'ipotesi del bosone di cui parleremo, ma in una intervista con Vittorio Del Duca al riguardo, di fronte alla domanda " Come fu preso questo risultato dalla comunità dei fisici delle particelle?" rispose " L'articolo, intanto, fu rifiutato... (ride)" Però dopo questo esordio infelice, la ricerca del bosone di Higgs è diventata un discorso di punta della fisica degli ultimi anni, direi quasi di moda. Perché? Cominciamo dicendo che forse una parte della fama potrebbe essere dovuta a una mossa pubblicitaria dell'editore di un libro di Leon Lederman che chiamava questa particella "goddamned particle", cioè "dannata particella", per la sua elusività. All'editore sembrò che per il marketing sarebbe stato meglio "God particle" cioè "particella di Dio". Evidentemente l'espediente si rivelò felice. A questa ricerca si dedicarono in feroce competizione parecchi tra i centri mondiali di ricerca sulle particelle elementari. Dall'altra parte dell'atlantico il Fermilab, detto anche FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), di qua il centro europeo CERN (European Organization for Nuclear Research). Segno di questa competizione, il fatto che, poiché l'acceleratore LHC del CERN aveva la possibilità di raggiungere energie più elevate, il 2

3 mondo della fisica americano mise in programma di costruire una macchina più potente, progetto che però fu stoppato dal governo statunitense in seguito alla crisi economica del Dopo più di cinquant anni, solo oggi (luglio 2012), grazie al contributo determinante degli italiani, sotto la guida di Fabiola Gianotti, abbiamo l evidenza sperimentale che qualcosa del genere della particella cercata esiste, ma per ottenerla si è dovuto costruire uno strumento molto sofisticato, il più grande e tecnologicamente avanzato sulla faccia della Terra, detto LHC (Large Hadron Collider). Si trova alla periferia ovest di Ginevra, è situato 100 metri sottoterra in un tunnel lungo 27 km, costruito in dieci anni circa dal CERN (sigla per Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare. L acronimo però deriva da Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare, collegio di scienziati, nominato nel 1952 da 11 stati europei, che nel 1954 diede vita al progetto. Informalmente si trasforma in Centro Europeo per la Ricerca Nucleare, per evitare equivoci sul significato della sigla). L impresa imponente del CERN raccoglie oggi 20 stati membri, più alcuni osservatori anche extra europei. Inaugurato nel 2008, LHC è inizialmente incappato in un guasto che ha richiesto un anno per la riparazione e la ripartenza. Ci tengo però a precisare che tutti questi sforzi non hanno l obiettivo limitato di trovare l ago nel pagliaio, anche se la scoperta del bosone è un punto di partenza eccezionale. Il fine più ambizioso è la comprensione delle leggi fondamentali della Natura, che regolano l Universo e la sua evoluzione. Si è infatti visto che la complessità dei fenomeni, tanto difficile da decifrare, si dissolve mano a mano che ci si addentra nell indagine del molto piccolo, dove si evidenziano i costituenti elementari, sempre più semplici ed universali. La complessità sembra essere una questione di scala, come quando si analizza un immagine complessa digitale: a scala microscopica si vedono apparire i pixel, mattoni elementari, basilarmente tutti uguali e semplicemente organizzati. 3

4 L esigenza di capire l essenza delle cose emerge quando si studia la storia dell uomo e si vede che il percorso si sviluppa in un intreccio indissolubile di pensiero e di applicazione, di conoscenza teorica e di fenomenologia, aspetti indispensabili al sapere scientifico. Pur apprezzando l originalità del pensiero antico, abbreviamo la strada rivolgendo l attenzione a tempi più recenti, corrispondenti al metodo scientifico moderno. Si è verificato che la materia è costituita da molecole e poi che le molecole sono fatte di atomi. A partire dal XIX secolo, la tavola di Mendeleev ha permesso di riconoscere più di cento elementi (idrogeno, ossigeno, carbonio, ferro, uranio, ): atomi indivisibili a fondamento della materia. Ma poi, ciascuno di questi è risultato composto da elettroni e nuclei. L immagine che si è usata per rappresentare l invisibile atomo è quella del sistema solare, fatte le debite proporzioni ( dove nucleo = sole, elettroni = pianeti). Mentre gli elettroni risultano tuttora impenetrabili, i nuclei hanno mostrato una struttura interna: protoni e neutroni. A loro volta questi ultimi si sono dimostrati composti da quarks, particelle elementari (finora) e, tra tutte quelle nominate, le meno familiari al grande pubblico. Per riconoscere le differenti particelle è necessario misurare alcuni dati fisici particolari, come la massa e la carica, cose di cui probabilmente abbiamo tutti un idea, più o meno scientificamente centrata. Ci sono poi altri dati che corrispondono a caratteri meno comunemente noti, come ad esempio lo spin, che riguarda una proprietà magnetica della particella e che, solo per fissare le idee con la solita immagine classica, possiamo visualizzare come la rotazione della particella (pensata in analogia al pianeta Terra) attorno al suo asse, da una parte o dall altra. Massa, carica e spin permettono una classificazione generale delle particelle, oggi note a centinaia. Quelle elementari cioè i costituenti indivisibili di tutte le altre e quindi della materia risultano inquadrate dalla teoria più accreditata, detta Modello Standard. 4

5 L ultima particella a destra nello schema è il neutrino (elettronico), dotato di malvagità (come sa bene la Gelmini) quasi quanto il bosone di Higgs, perché estremamente sfuggevole all osservazione, tanto che la sua massa non si è ancora potuta misurare a causa dell estrema piccolezza. È comunque comparso, associato all elettrone, in alcuni decadimenti di nuclei radioattivi e nella trasformazione del neutrone in protone. Dovunque siate sulla Terra, ogni vostra unghia è attraversata da 100 miliardi di neutrini al secondo che arrivano fin qui indisturbati dalle reazioni termonucleari sulle stelle e, imperturbabili, proseguono il viaggio. Nello schema non c è la misura dell estensione delle particelle, né la si può trovare perché è praticamente nulla. Notare che massa e volume non sono in questi casi grandezze collegate: le masse sono diverse, ma la dimensione è comunque da trascurare. Un altra puntualizzazione utile è che la piccolezza di queste particelle non consente alcuna osservazione diretta, per quanto raffinato sia lo strumento (potremmo chiamarlo microscopio ) di individuazione che c inventiamo. Primo Levi, che era un chimico, in La chiave a stella (premio Strega 1979) dice: siamo come dei ciechi con le dita sensibili. Dico come dei ciechi, perché appunto, le cose che noi manipoliamo sono troppo piccole per essere viste, anche coi microscopi più potenti; e allora abbiamo inventato diversi trucchi intelligenti per riconoscerle senza vederle..tante volte, poi, noi abbiamo l impressione di essere non solo ciechi, ma degli elefanti ciechi davanti al banchetto di un orologiaio, perché le nostre dita sono troppo grossolane di fronte a quei cosetti che dobbiamo attaccare o staccare.siamo, appunto, come degli elefanti a cui venga consegnata una scatola chiusa con dentro tutti i pezzi di un orologio; noi siamo molto forti e pazienti, e scuotiamo la scatoletta in tutti i sensi e con tutte le nostre forze: magari la scaldiamo anche, perché scaldare è un altro modo di scuotere. E sta parlando dell ambito atomico-molecolare dei chimici, quindi di dimensioni infinitamente più grandi di quelle che qui stiamo considerando. Allora tutte le rappresentazioni dell atomo, a cui siamo stati abituati, sono tentativi fantasiosi, ma poco attendibili, dell uomo che cerca di trasportare ciò che vede con gli occhi (come il sistema solare) a ciò che non può vedere ( come l atomo). Sono immagini fasulle. Domanda: come si può misurare ciò che non si vede? Risposta: con trucchi, come dice Levi, ossia con metodi indiretti. Una particella invisibile, lanciata in mezzo a particelle visibili, in opportune condizioni, produce effetti secondari osservabili e misurabili. Per esempio, il movimento del pulviscolo atmosferico è visibile ed è indotto dalle molecole dell aria invisibili; un aereo a reazione produce una scia visibile anche quando l aereo è già passato. 5

6 Un esempio tecnico che ci è utile è quello del vecchio televisore col tubo a raggi catodici (CRT): lo schermo è un buon rivelatore degli elettroni che sono lanciati contro di esso e che lo colpiscono. Nel punto dell urto lo schermo scintilla, evidenziando la presenza dell invisibile elettrone e rendendo visibile l immagine televisiva. Inoltre, quegli elettroni sono portati ad elevata velocità dalla tensione (campo elettrico) di rete, e sono deviati da effetti elettrici e/o magnetici (campi magnetici) appositamente prodotti dalla corrente all interno del tubo catodico; gli elettroni risentono delle influenze elettro-magnetiche perché sono particelle cariche. Così il nostro televisore CRT è un rivelatore, ma anche un acceleratore e deviatore di elettroni. Gli strumenti come LHC sono dei raffinati acceleratori e rivelatori di particelle. Va da sé che le particelle neutre sono più difficili da individuare e manovrare perché non reagiscono a stimolazioni elettriche o magnetiche; se hanno grande massa si segnalano urtandone altre, come palle da biliardo, ma se la massa è molto piccola il guaio è grosso. Che effetto può provocare una biglietta lanciata contro una palla da cannone? Ecco come mai il neutrino può attraversare tranquillamente tutta la Terra, senza bisogno di alcun tunnel e senza provocare alcun effetto lungo il percorso: è neutro e di piccolissima massa. L Universo ci fornisce gratis da sempre una enorme quantità di particelle; le radiazioni ad alta energia provenienti dalle stelle, dette raggi cosmici, bombardano la Terra e provocano reazioni a valanga negli urti con le particelle dell atmosfera (se non ci fosse l aria, finiremmo arrostiti in pochi secondi), generando moltissime nuove particelle ad alta velocità; queste talvolta hanno vita breve, perché si trasformano o si ricombinano. In tutti questi procedimenti bisogna tener presente la relatività, con la famosa relazione di Einstein E = mc 2, che rappresenta l equivalenza tra l energia E e la massa m, attraverso il fattore c 2 (c è la velocità della luce, che vale circa 1 miliardo di km all ora; va moltiplicata per se stessa per avere c 2 ). Essa dice che l energia della radiazione si può trasformare in massa e viceversa: creazione e sparizione (annichilazione) di particelle di materia, con l aggiunta dell energia di movimento (cinetica). I raggi cosmici in atmosfera sono stati un ottima palestra per gli inventori di strumenti da usare nella rivelazione e per lo studio delle particelle (gelatina fotografica, contatori geiger, scintillatori ), finché non è emersa l esigenza e si è trovata la capacità tecnica di produrre in proprio le particelle, con il vantaggio di poter scegliere le condizioni e i momenti della loro osservazione, in modo riproducibile in laboratorio, tenendo d occhio si fa per dire i meccanismi di produzione, annichilimento e d interazione. Allora ci siamo inventati gli acceleratori di particelle (LHC è la più grande e potente macchina finora esistente al mondo) in sostituzione dei raggi cosmici. 6

7 L idea è semplice la realizzazione molto meno. Si prendono delle particelle cariche, che si sanno maneggiare; le si porta a grande velocità, che vuole dire a grande energia, con l azione di potenti pile; infine le si fa urtare contro un bersaglio materiale. Nell urto diventa disponibile sia l energia di movimento sia l energia equivalente alla massa; l energia totale deve essere sufficiente a rompere le particelle proiettile e quelle bersaglio. Si penetra così all interno delle materia e l energia liberata si può ritrasformare in nuove particelle. Più energia si ha a disposizione, più probabilità c è di generare particelle differenti. Un trucco geniale per ottenere più energia è stato quello di far scontrare frontalmente fasci di particelle lanciate in senso opposto: così si raddoppia l energia disponibile rispetto a quella prodotta con bersaglio fisso. Questo sistema ha permesso ad LHC di produrre in 1 secondo 1miliardo di eventi, ossia di scontri tra protoni (particelle positive, facilmente ottenibili dall idrogeno). Gli eventi vanno registrati dai rivelatori (foto di tracce in 3D, energia, velocità temperatura, 40 tracce ogni miliardesimo di secondo); i risultati vanno immagazzinati in reti di computer super potenti, per riuscire a gestire la mole dei dati; vanno poi esaminati per selezionare quelli veramente interessanti e per riconoscerne con esattezza le caratteristiche. La probabilità di trovare ciò che si cerca è affidata alla statistica, poiché l esito dei singoli urti è casuale. L energia dello scontro è un fattore fondamentale. Da essa dipende la profondità dell urto, la massa delle particelle prodotte, la temperatura alla quale avviene l evento. Quest ultimo aspetto è quello che riporta la produzione di materia ad un certo istante dall origine dell Universo (Big Bang). L ipotesi è che in principio non vi era massa, ma solo energia concentrata in un punto; quando inizia la generazione di materia la temperatura è elevatissima e il sistema evolve espandendosi e raffreddandosi. La temperatura è quindi un indice del momento in cui riusciamo ad inserirci per spiare il tipo di particelle esistenti a quelle condizioni. L indagine ha permesso di studiare anche le forze che regolano le interazioni tra le particelle e di stabilire che sono a loro volta trasmesse da particelle. A tutti è nota la forza di gravità, ma anche la forza elettrica e magnetica, per averle in qualche modo sperimentate. Altre forze ci sono meno familiari: le forze nucleari (forza nucleare forte e forza nucleare debole), perché agiscono in ambiti così piccoli (i nuclei) da sfuggire all osservazione ordinaria, anche se senza di 7

8 esse nemmeno un cucchiaino esisterebbe. Dopo il fotone, messaggero della forza elettromagnetica e trasportatore della luce, nato nella mente di Einstein nel 1905, si è scoperto il gluone (per la forza nucleare forte che tiene insieme i nuclei) e le particelle W +, W -, Z 0 (forza nucleare debole, responsabile dei decadimenti radioattivi). Guarda caso, non c è ancora evidenza sperimentale del gravitone, ipotizzato teoricamente, che deve trasportare la forza a noi più familiare, quella gravitazionale, ma che risulta la meno inquadrabile di tutte, bestia nera anche per il genio di Einstein. Può sembrare strano, ma la gravità, che tiene insieme l Universo, è la forza più debole fra tutte: basta pensare che una piccolissima calamita vince la gravità di tutta la Terra, sollevando una graffetta metallica. Vi potreste domandare quale vantaggio ci sia nel sostituire alla tradizionale rappresentazione delle forze questa nuova, fatta di corpuscoli: non ci complichiamo inutilmente la vita? No, diamo una visione delle cose più aderente ai fenomeni. Il buon alchimista Newton ha presentato la forza (di gravità) come qualcosa che è più magico che scientifico, infatti si trasmette a qualsiasi distanza in modo istantaneo! Quest idea è, per le forze in genere, quella che tuttora viene insegnata a scuola. Invece la fisica moderna sostiene che in natura nessun segnale si può trasmettere a velocità superiore a quella della luce nel vuoto i famosi km/s; dovremmo dire che gli elementi della fisica attualmente sono la materia, la radiazione e l informazione. Le forze sono informazioni tramite le quali i corpi interagiscono e, se sono costituite da particelle che i corpi si scambiano, è chiaro che si trasmettono con una certa velocità. Se ad esempio in un certo istante dovesse sparire il Sole, noi lo sapremmo dopo circa otto minuti, quando il suo effetto gravitazionale sulla Terra verrebbe a mancare, ed è anche il tempo che la luce ci mette ad andare dal Sole alla Terra. A pensarci comunque, anche se per noi ora costituisce una novità, questa visione materialistica è molto semplice e intuitiva. Il quadro delle particelle messaggere di forza risulta così: Il gravitone è solo teorico e dovrebbe avere massa e carica nulla, spin 2. Il bosone di Higgs è stato probabilmente scoperto da poco, con gran clamore da parte dei mezzi di comunicazione di massa. Più cauti invece i ricercatori. Nelle pubblicazioni troverete la massa e l energia con la stessa unità di misura, per colpa di Einstein (E=mc 2 ). L unità usata in fisica nucleare è detta ev (elettronvolt), che corrisponde all energia che un elettrone acquista sottoposto al potenziale di 1Volt. Troverete anche 8

9 1MeV=1milione di ev; 1GeV=1miliardo di ev; 1TeV = 1000miliardi di ev. Ma non preoccupatevi di fare troppi conti (se proprio volete potete, perché vi ho detto prima la massa in grammi dell elettrone): quello che serve è confrontare i diversi valori solo per riconoscere i più grandi e i più piccoli. Il quadro complessivo delle particelle e mediatori di forze secondo il Modello Standard è al momento quello in figura. La 2 e la 3 famiglia di fermioni sono del tutto simili alla prima che conosciamo già: hanno solo masse più grandi rispetto alla prima e in genere non si trovano più in natura; essendo caratteristiche degli esordi dell Universo, si possono produrre artificialmente nei grandi acceleratori. Si spera in un prossimo futuro di riuscire a capire perché la natura ha scelto proprio questa triplicazione delle famiglie di particelle, o se ci possano essere altre possibilità. La teoria attribuisce al bosone di Higgs il compito di giustificare la massa differente posseduta dalle particelle elementari e il meccanismo di acquisizione della massa. La nuova particella osservata in LHC nel 2012 è un bosone, e assomiglia veramente molto al bosone di Higgs. Solo il tempo e più dati ci diranno se si tratta proprio del bosone previsto da Peter Higgs e compagnia, oppure di una sua variante molto simile, che si comporta in modo lievemente diverso a causa di qualche altro meccanismo ancora da scoprire. Gli aspetti fondamentali della ricerca del bosone di Higgs, in estrema sintesi, sono questi: I teorici non hanno mai detto la massa del bosone di Higgs, e tocca cercarla un po' dappertutto; il bosone decade (termine tecnico per dire che si trasforma) in molti modi, più o meno frequentemente a seconda della massa che potrebbe avere, e se ne cercano dunque diverse tracce a diverse masse possibili; alcune tracce sono più facili da vedersi di altre, perché il segnale è più pulito e/o c'è meno rumore di fondo a coprirle. Nelle regioni di bassa massa, i canali di decadimento con il rapporto segnale/rumore più favorevole sono quello in due fotoni, e quello in due bosoni Z che decadono a loro volta in quattro leptoni. La massa della particella scoperta è di circa masse elettroniche (126 GeV), considerata relativamente piccola. L'accuratezza delle misure ha raggiunto la precisione richiesta di 5 sigma (5 deviazioni standard), ovvero una probabilità del 99,9996%, che corrisponde ad una possibilità di errore di 6 parti su un milione. Una migliore definizione delle caratteristiche della particella rilevata sarà disponibile entro la fine del LHC ha fornito un energia di 8 TeV per ogni evento; dovrà arrivare a 14 TeV nel

10 Si è visto il decadimento in due fotoni, ciascuno dei quali ha lo "spin" pari a 1. Di conseguenza, siccome la proprietà chiamata "spin" si conserva nei decadimenti, la particella da cui questi fotoni provengono deve avere spin 0 o spin 2 (le sole combinazioni possibili di due particelle con spin 1 sono: 1+1=2 oppure 1-1=0). Sia 0 che 2 sono quantità intere, e i bosoni hanno per definizione spin intero (i fermioni, l'altra categoria di particelle possibili, hanno spin semi-intero: 1/2, 3/2,...), ma i dati sono ancora troppo pochi per distinguere tra i due casi. Bisogna studiare meglio la disposizione dei due fotoni, ma il problema principale è, come sempre, il rumore di fondo, disturbo che è comunque presente nei segnali degli strumenti elettronici. Se non ci fosse questo bosone tutte le particelle sarebbero prive di massa e si muoverebbero nel vuoto alla velocità della luce, come succede al fotone, ma lo spazio vuoto sarebbe in realtà pieno di bosoni di Higgs che al passaggio delle diverse particelle aderirebbero a ciascuna di esse in quantità differente con conseguenti diversi rallentamenti ed aumenti della massa. Difficile da immaginare? In tanti si sono sforzati di trovare le solite immagini fantasiose. L esempio più suggestivo mi pare quello della stanza affollatissima (A). Se un Vip entrasse nella stanza (B) e dovesse attraversarla, sarebbe ostacolato dall assembramento provocato attorno a lui (C), tanto maggiore quanto maggiore fosse la fama della persona (meccanismo di acquisizione della massa). Analoga situazione di assembramento si produrrebbe all arrivo di una novità di gossip (D), trasmessa di bocca in bocca (E) attraverso la folla (formazione della particella di Higgs). L urto prodotto in LHC è come l arrivo della notizia, che provoca il sommovimento del mare di Higgs (vuoto = sistema calmo ad energia minima). La ricerca del bosone di Higgs serve a chiarire aspetti ancora carenti del Modello Standard che sono non trascurabili. Oltre al problema della massa delle singole particelle elementari, c è il quello della massa e dell energia totale dell Universo. Infatti, per giustificare la coesione delle galassie e il loro movimento, la materia complessiva presente dovrebbe essere molta di più di quella che noi vediamo (solo il 4% del totale!); quella che non vediamo è detta perciò materia oscura. La produzione di massa in LHC è nelle condizioni da contenere anche questo tipo di massa. 10

11 Poiché la massa è una grandezza che si conserva, quella che non risulterebbe nel bilancio dopo l urto, sarebbe proprio la materia oscura. Chiaro che è un bilancio delicatissimo da fare rispetto al rumore di fondo. C è poi la questione dell antimateria. Vi dico ora che per ogni particella elementare che abbiamo nominato, esiste l antiparticella, che ha la stessa massa ma tutti gli altri parametri opposti. Ad esempio, l antiparticella dell elettrone è il positrone, stessa massa ma carica opposta. Ora, in base alla teoria, non vi è alcun motivo di preferenza tra i due tipi di particella: la teoria è simmetrica per scambio di esse. Ma come mai osserviamo che la materia è in assoluta maggioranza rispetto all antimateria? Come e perché si è rotta la simmetria che doveva esserci all origine dell universo? Diciamo che è una fortuna per noi, perché quando i due generi per caso s incontrano, si azzera tutto e la massa si trasforma in energia. Quindi, se Mario incontrasse Anti-Mario entrambi svanirebbero. È vero che potrebbe succedere anche il contrario: dal nulla di una fluttuazione di energia, ecco apparire Silvio e Anti-Silvio! Sarebbe un mondo veramente instabile! Ancora ci si aspetta che LHC, riportandoci alle condizioni dell origine della materia, possa illuminarci sui meccanismi alla base di questa fondamentale rottura di simmetria. Lo studio delle simmetrie in natura e, ancora di più, dei casi di violazione delle simmetrie si è rivelato la chiave per addentrarsi nel mondo ultramicroscopico. Perciò, la cosa più importante è capire le proprietà dello spazio in cui le particelle agiscono; è uno spazio che ha estensione dell ordine di miliardesimi di miliardesimi di millimetro e in esso la relatività e la teoria quantistica sono pane di tutti i giorni Per la relatività, abbiamo già l esempio dell uso indispensabile dalla legge E = mc 2. La teoria quantistica è più drammatica, perché contrasta la visione classica della materia ed dell energia continue, occupandosi del mondo sub-atomico e sub-nucleare. Già abbiamo visto la quantizzazione della materia, l atomo e oltre, ma c è anche la quantizzazione della luce, il fotone, che poi è il quanto di energia. Gli sviluppi della teoria quantistica hanno messo in evidenza sempre più l assoluta diversità con il mondo a misura d uomo. Ad esempio, abbiamo detto che, per osservare certe cose, chi osserva deve agire, anche violentemente, sulle cose: l osservatore si rivela non imparziale, perché influenza per necessità l oggetto da osservare, modificandolo drasticamente. In aggiunta, nel mondo microscopico non siamo più in grado di usare il principio di causa-effetto, ma un principio probabilistico. Questo significa che le migliori supposizioni che possiamo formulare sul futuro di un evento usano il linguaggio quantitativo della teoria delle probabilità. Per esempio, se nell ordinario per andare fuori di casa apro la porta e certamente esco, se abito nel nucleo non ci sono porte apribili a comando, ma devo continuare a sbattere contro la parete finché questa improvvisamente non sparirà per qualche istante lasciandomi uscire e ricomparendo subito dopo, ad intervalli probabilistici. Oppure, lanciando un elettrone o un fotone da qui a là, non posso sapere in modo univoco il percorso che farà, ma tutte le 11

12 strade che esso potrà scegliere coesistono. La certezza a priori non esiste sul singolo lancio - non si può sapere dove andrà finché non verifichiamo - ma su un gran numero di lanci potrò indicare la probabilità che la particella arrivi qui oppure là. Inoltre, nonostante la piccolezza delle dimensioni di cui ci occupiamo, potrebbe anche trattarsi di un iperspazio (spazio con più di tre dimensioni spaziali 3D), in cui noi, esseri tridimensionali, non sappiamo come entrare. La matematica riesce benissimo a costruire universi a molte dimensioni, ma come si fa a visualizzarli? Allora uso il trucco di mettermi nei panni dell uomo Quadrato bidimensionale, che vive nel piano di Flatlandia, e che viene visitato dall uomo Cubo tridimensionale. Come apparirà Cubo a Quadrato? Attenzione: Quadrato non può sollevarsi dal piano di Flatlandia. 12

13 Forse recepiamo solo l ombra del mondo pluridimensionale, come avviene per l ombra proiettata su un muro 2D di un oggetto 3D. In questo modo, uno stesso oggetto 3D può presentare ombre differenti 2D a seconda di come è messo. Ciò potrebbe spiegare perché dobbiamo usare forze diverse per descrivere i fenomeni in diverse situazioni (gravitazionale, elettromagnetica, ), quali differenti manifestazioni di una unica forza, valida per tutte le stagioni nell iperspazio. Già si è scoperto che la forza elettromagnetica e la forza debole hanno caratteristiche unificabili; la differenza sta nel fattore di scala, essendo la seconda più debole e a raggio d azione più corto dell altra. Questo discorso si può estendere alle particelle di materia, perché le vediamo distinte nello spazio ordinario, mentre potrebbero essere manifestazioni differenti di un unico ente dell iperspazio: una stringa con diversi modi di vibrazione Ma come potremmo verificare la presenza di eventuali dimensioni invisibili, se non le possiamo vedere? Le differenti direzioni spaziali consentono possibilità di 13

14 movimento in direzioni diverse; non le vediamo, ma corrispondono ad energia di moto aggiuntiva, rispetto a quella spesa nelle direzioni percepite. Questa energia aggiuntiva si manifesterebbe, per la relazione di Einstein E = mc 2, con una maggiore massa misurata per le particelle, rispetto a quella attesa. Ci vuole un esempio. Supponiamo che un piccolo insetto abiti su una lunga corda cilindrica. Ad esso sono consentite due direzioni di movimento: una nella lunghezza della corda e l altra trasversale; entrambi i movimenti gli sono accessibili. Per noi, che supponiamo di trovarci a distanza, la corda ci appare nella sola dimensione della lunghezza; per un fattore di scala, la larghezza della corda non ci risulta. Potremo quindi valutare gli spostamenti dell insetto, che riconosciamo a fatica, come avvenuti solo lungo la corda. Ma l energia spesa dall insetto per muoversi sarà in generale maggiore di quella che ci aspettiamo, proprio perché esso si può muovere anche trasversalmente. Se misuriamo l energia spesa dall insetto, troveremo quindi in media valori maggiori di quelli attesi. Per le nostre particelle, la maggiore energia si manifesterà come maggiore massa. La complicazione che troviamo dipende dal fatto che dobbiamo fare un salto di qualità mentale, ma, una volta verificata la necessità di compierlo, potrebbe portare a semplificare e chiarire le cose fino al successivo mistero. Un fisico, di certo, non sarà mai senza lavoro; forse, però, potrà restare senza stipendio A proposito di conquibus! Quanto ci costa questo LHC, per seguir virtute e canoscenza? LHC da solo è costato circa 3 miliardi (di euro); altri 3 miliardi circa i quattro esperimenti. Fanno 6 miliardi di euro. Urca! Però, LHC, come il CERN, è una cooperazione mondiale, quasi unica al mondo, che ha richiesto dieci anni per la sua messa a punto. L Italia partecipa con circa il 12% alle attività del CERN, il che ci porta a una media di 72 milioni all anno negli ultimi dieci anni. Poiché ci sono all incirca 60 milioni di italiani, ciascuno di noi ha speso circa 1 euro e 20 centesimi per anno negli ultimi 10 anni. Come investimento me lo permetto volentieri, rinunciando magari ad un gelatino (piccolo). Però, come tutte le spese, per valutarne l opportunità è bene fare dei confronti. L 8 per mille totalizza dai 700 ai 1000 milioni (sempre di euro) l anno; il costo totale di LHC è pari alla spesa mondiale in pubblicità in una settimana, oppure ad 1 centesimo della 14

15 manovra finanziaria del governo statunitense per il salvataggio delle banche d affari americane o anche al costo di tre bombardieri B-2. Confrontiamo magari con le spese della guerra in Iraq, con i contratti dei calciatori e altro... Se poi si chiede a cosa serva tutto questo, l unica risposta possibile è: a niente. La ricerca fondamentale, come l arte, non deve servire a qualcosa, ma deve essere libera. Per definizione la ricerca fondamentale non sa dove andrà a parare: conosce l ambito in cui si muove e sfrutta le conoscenze precedenti per indirizzarsi, ma non offre garanzie di successo o di utilità rispetto al risultato finale. L innovazione tecnologica si basa sui risultati, di per sé inutili, della ricerca fondamentale: senza quest ultima, la prima si esaurirebbe nel giro di qualche anno. L inutilità immediata della ricerca fondamentale è necessaria ed indispensabile al progresso e questo pone la questione del suo finanziamento ed orientamento. Non dovendo garantire potenziali utilizzi commerciali, non è credibile che sia finanziata da soli fondi privati. La ricerca fondamentale è poi la scienza in senso esteso, e il suo scopo primario è quello di produrre sapere sotto forma di comprensione; per molte delle sue discipline è anche l unico fine (penso a quelle che si occupano del comportamento animale o alla biologia evoluzionista). Molti importanti cambiamenti di prospettiva sono seguiti a inutili scoperte scientifiche (la rivoluzione copernicana, l evoluzione darwiniana, la prova della falsità del concetto di razze umane differenti, la relatività, i quanti). Prima di essere un metodo di miglioramento della produzione, la scienza è un prodotto culturale umano e le innovazioni tecnologiche sono il frutto dello sviluppo umano, e non viceversa. Per essere franchi, mi sembra che la domanda a che serve questo tipo di ricerca? andrebbe sostituita da ha senso in questo momento storico, politico, economico e culturale di questo paese finanziare questo tipo di ricerca, del tutto o in alternativa ad altre, e perché?. Dopo aver pubblicizzato LHC come un divertente rompicapo, posso anche aggiungere qualche ricaduta pratica dai suoi progetti. Il web (WWW ecc. ecc.), indispensabile strumento di comunicazione mondiale, è nato per la necessità di distribuzione dati tra gli scienziati collaboranti con il CERN; la PET (Tomografia ad Emissione di Positroni), fornisce mappe dei processi funzionali all'interno del corpo e deriva dagli studi sull antimateria; l adroterapia, figlia degli acceleratori di particelle,è una forma di radioterapia che utilizza fasci di protoni, neutroni o ioni positivi per il trattamento dei tumori. Ad oggi, la più comune è quella che utilizza protoni energetici. Il nome deriva dal tipo di particelle utilizzate, gli adroni, cioè particelle costituite da quark; molte moderne tecniche diagnostiche derivano dai rivelatori di particelle. Adesso che vi ho raccontato come e perché mezzo mondo (almeno la parte occidentale di cui abbiamo notizia) ha cercato il bosone di Higgs (ma non solo), vi chiederete, ma il signor Higgs è soddisfatto dei suoi risultati, è diventato ricco e famoso, vissero tutti felici e contenti? Sentiamo le sue risposte a un'intervista condotta da Vittorio Del Duca 15

16 V.DD Se posso indagare un po' più nel personale, questo circo generato intorno al suo nome la ha influenzata personalmente, ha avuto effetti di qualche tipo sulla sua vita personale, su di lei come persona? P.H. Dal lato scientifico mi ha dato una tale esagerata reputazione che quasi ha soffocato la mia successiva attività di ricerca. Ci fu un gap, potrei dire, durante il quale non feci poi molto. Quando tornai a essere più attivo, mi interessai di più alla supersimmetria, ma a quel punto ero davvero troppo vecchio per fare cose nuove: c'era già un tale background di nuova matematica coinvolta nella supersimmetria, che non avrei potuto assorbirlo tanto rapidamente quanto le persone che stavano ottenendo il loro dottorato e che pubblicavano gli articoli. Così alla fine lasciai perdere. V.DD. Non riusciva più a concentrarsi? P.H. No, era come se fossi diventato troppo ambizioso. Se mi fossi accontentato di lavorare su cose più semplici avrei potuto produrre ancora, ma avendo ottenuto un successo pretendevo di dedicarmi agli sviluppi più promettenti, come la supersimmetria, la super gravità e così via; ma non ero più in grado di apprendere tanto rapidamente. Un secondo aspetto mi influenzò probabilmente in un altro senso e certamente alla fine contribuì alla rottura del mio matrimonio: penso che a quel tempo mia moglie non comprendesse a fondo i miei successi e quanto fosse importante per me ciò che facevo, così quando cominciai a dare la priorità a ciò che riguardava la mia carriera, le conferenze e via dicendo, più che agli interessi per la mia famiglia, il matrimonio crollò. Questo ebbe come effetto immediato un periodo davvero poco produttivo. 16

17 alla fine, un moderato sciovinismo Nella foto a sinistra, i coordinatori dei principali esperimenti di LHC al CERN, all epoca della ricerca del bosone di Higgs: tutti italiani! Da sinistra: Paolo Giubellino (ALICE: A Large Ion Collider Experiment), Fabiola Gianotti (ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS), Guido Tonelli (CMS: Compact Muon Solenoid), Pierluigi Campana (LHCb: Large Hadron Collider beauty). Nella foto a destra: Fabiola Gianotti e Peter Higgs il 4 Luglio 2012, giorno della comunicazione della scoperta. Fabiola Gianotti, nata a Torino nel 1962, si è laureata in fisica subnucleare presso l Università degli Studi di Milano ed è diplomata in pianoforte al Conservatorio di Milano. Dal 2009 è anche Commendatore della Repubblica Italiana per "le sue conoscenze scientifiche, le spiccate doti gestionali e il suo importante contributo al prestigio di cui gode la nostra comunità di scienziati nel campo della fisica nucleare". Con la sua direzione si sono svolte le ricerche dell esperimento Atlas per il bosone di Higgs. 17

18 20 Dicembre Auditorium del Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia di Milano, dove i principali protagonisti della grande avventura scientifica del CERN di Ginevra, per la prima volta in Italia, hanno incontrato il pubblico. I cacciatori del bosone di Higgs, dell antimateria, della materia primordiale, delle particelle esotiche: sono gli scienziati della foto sopra, tutti italiani, che dirigono i principali esperimenti dell acceleratore LHC di Ginevra, più Simone Giani, coordinatore dell esperimento Totem. Con loro, Sergio Bertolucci, direttore della ricerca scientifica al CERN e Fernando Ferroni, presidente dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Tra il pubblico anche Cristina Fighetti e Pierluigi Boschetti (mica poco!). 18

19 Maria Cristina Fighetti Mi presento: sono laureata in Fisica (qui a Milano, meglio non dire quando), ho insegnato matematica e fisica nei Licei Scientifici milanesi fino al 1999, sono socia dell AIF (Associazione per l Insegnamento della Fisica). Sono profondamente convinta che una visione generale della Fisica moderna debba essere un patrimonio della conoscenza comune e non solo un argomento da addetti ai lavori, per il buon motivo che il nostro modo di vivere ne è totalmente condizionato, nel bene e nel male. L informazione scientifica nel nostro Bel Paese è mediamente assopita sull 800, sia a livello scolastico sia a livello divulgativo. Anche per questo, una volta in pensione, ho proposto un progetto di diffusione della cultura della fisica moderna nei Licei, che è stato recepito dalla cattedra di Storia della Fisica dell Università di Milano. Ho quindi collaborato con l università per la realizzazione di appositi seminari multimediali per le scuole medie superiori e inferiori, che sono stati tenuti sia presso l Università (con prestigiosa sede a Brera) che, a richiesta, presso le singole scuole. Gli argomenti proposti (relatività speciale e generale, quantizzazione della materia e della radiazione, meccanica quantistica, grandi personaggi della Fisica moderna,...) venivano scelti da gruppi di studenti e/o docenti interessati e presentati con il supporto di animazioni computerizzate per agevolarne la comprensione attraverso l uso delle immagini. Per un paio di anni è stato possibile perfino mostrare applicazioni sperimentali della teoria nello stesso contesto. Da qualche anno collaboro allo svolgimento delle Olimpiadi Italiane della Fisica sia a livello regionale che nazionale, con corsi di supporto per gli studenti di Milano e hinterland e con partecipazione alla realizzazione delle prove. 19

20 Naviglio Piccolo - Viale Monza 140 (M1 Gorla - Turro) Quote di partecipazione ad ogni incontro: Normale 2,00 Soci di Naviglio Piccolo 1,00 Per chi si associa al momento gratuita Quota associativa a Naviglio Piccolo 20,00 Informazioni: naviglio.piccolo@navigliopiccolo.it Si ringrazia: 20