Higgs e il suo bosone

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1 Ian Sample Higgs e il suo bosone La caccia alla particella di Dio Traduzione di Paolo Bartesaghi

2 Sito & estore Twitter twitter.com/ilsaggiatoreed Facebook Ian Sample, 2010, 2013 il Saggiatore S.p.A., Milano 2013 Titolo originale: Massive: The Hunt for the God Particle

3 Higgs e il suo bosone ai miei genitori

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5 Sommario Prologo 9 1. La lunga strada verso Princeton L ombra della bomba Settantanove righe Il principe azzurro Una seria rivincita Il ribelle di Reagan Grande Maggie! La fine non è vicina Il nodo gordiano Girare in tondo Il mondo nascosto 240 Epilogo 255 Ringraziamenti 285 Note 289 Bibliografia 311 Indice analitico 315

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7 Prologo Dal villaggio di montagna di Crozet, nella Francia orientale, la vista domina su chilometri e chilometri di campagna. Villaggi e fattorie punteggiano i campi, collegati solo da poche, strette strade. A parte una manciata di edifici moderni disposti sul territorio lungo un enorme anello, non c è nulla che sembri inusuale. Nondimeno, si tratta di un luogo tutt altro che ordinario. Alcuni di questi edifici posti in superficie nascondono profondi pozzi che li collegano sottoterra alla più grande e sofisticata macchina che il genere umano abbia mai costruito. Se un gigante la strappasse dal suolo e la sollevasse, si staglierebbe nel cielo come un enorme anello di otto chilometri di diametro. Accenderla significa un consumo di energia elettrica pari a quello di una città di medie dimensioni. È questa la sede del lhc (Large Hadron Collider), il grande collisore di adroni, la macchina costata miliardi di dollari costruita nei dintorni di Ginevra dal cern, l Organizzazione europea per la Ricerca nucleare, per far schiantare gli atomi uno contro l altro. Più di venti nazioni si sono associate per pagare quest opera colossale, la cui costruzione ha richiesto oltre un decennio. Diecimila scienziati qui e nei laboratori sparsi per il mondo lavorano sull enorme mole di dati che sforna. Dentro la macchina, frammenti di atomi vengono lanciati a velocità di poco inferiori a quella della luce e fatti urtare l uno contro l altro in collisioni frontali. Questi premeditati atti di violenza ricreano le condizioni che hanno dominato i primi istanti dopo il Big Bang, l eruzione cosmica che ha dato

8 10 Higgs e il suo bosone vita all universo. Ed è tra questi fuggevoli frammenti del fuoco primordiale che gli scienziati cercano le risposte ai più profondi misteri della natura. Uno di questi misteri, probabilmente il più affascinante, ha tormentato gli scienziati per quasi mezzo secolo. Ammettiamolo francamente: gli scienziati non sanno perché le cose hanno il peso che hanno. Possono avvicinarsi, anche di molto, alla spiegazione, ma manca sempre qualcosa. E sanno perché. Se facciamo a pezzi qualcosa e lo riduciamo in polvere e poi in atomi e quindi in frammenti di atomo, raggiungeremo alla fine i più piccoli mattoncini che costituiscono la materia. La verità sconcertante, quasi imbarazzante, è che gli scienziati non sanno affatto perché quelle particelle, delle quali tutto è fatto, abbiano un peso. Nel 1964, un fisico di Edimburgo, Peter Higgs, lavorando solo con carta e penna nel suo ufficio, si imbatté in quella che molti scienziati ritengono essere la risposta al mistero. All inizio dei tempi un campo invisibile permeava ogni angolo del cosmo. Tale campo rimase latente sino a quando il neonato universo non cominciò a espandersi e raffreddarsi. Fu allora che prese vita e ci informò della sua presenza. In quell istante i costituenti elementari della materia acquisirono peso, essendone prima totalmente privi. Tutto ciò che non aveva massa, assunse una massa. Le conseguenze di quell evento sono ovunque attorno a noi. Sono le fondamenta della nostra stessa esistenza. Senza tale campo, detto campo di Higgs, il nostro universo sarebbe un turbine frenetico di particelle senza massa che sfrecciano alla velocità della luce. Gli atomi e le molecole, come li conosciamo, non esisterebbero. Il materiale cosmico non si sarebbe mai aggregato a formare galassie, stelle e pianeti. Non ci sarebbe alcuna struttura familiare nell universo, alcun luogo in cui la vita potrebbe muovere i suoi primi incerti passi. Uno scienziato al cern una volta mi spiegò che il campo di Higgs è come la neve che era caduta quella notte e si era adagiata su quel paesaggio idillico tra la Francia e la Svizzera, immagina una distesa di neve senza interruzione in tutte le direzioni, mi disse. I raggi di luce vi si muovono come se avessero gli sci ai piedi: sfrecciano attraverso il campo come se questo non ci fosse. Alcune particelle hanno scarponi da neve e avanzano più lentamente, altre ancora sono a piedi nudi e arrancano faticosamente, procedendo a passo di lumaca. Ebbene, la massa di una particella non è altro che la misura di quanto essa rimane impantanata in questo campo.

9 Prologo 11 Il lhc è stato progettato per rivelare una volta per tutte la vera natura del campo previsto da Peter Higgs. La macchina dovrebbe creare increspature nel campo, che si manifesterebbero come particelle, chiamate bosoni di Higgs. Questi sono i fiocchi di neve che producono il nostro campo innevato, e sono la conferma ultima che gli scienziati stanno cercando per spiegare compiutamente perché le cose hanno una massa. Il cern non è l unico luogo in cui si dà la caccia al bosone di Higgs. Nei dintorni di Chicago, al Fermilab, dove ha sede il secondo collisore più potente al mondo, gli scienziati hanno come priorità la ricerca di questa particella. Per i due laboratori, posti sulle due sponde dell Atlantico, questa caccia decennale è ormai diventata la più grande competizione nella fisica moderna. Ma c è in gioco molto più che l orgoglio della scoperta. La particella di Higgs è la sola tessera mancante nel mosaico del Modello Standard, l insieme delle leggi che descrivono tutte le particelle note nell universo. Un gruppo sempre più numeroso di scienziati crede che la scoperta della particella di Higgs non solo risolverà il mistero della massa ma aprirà un portale verso un mondo nascosto di particelle e forze che possiamo solo iniziare a immaginare. La natura elusiva e l importanza profonda della particella di Higgs hanno indotto un fisico, vincitore del premio Nobel, a darle un soprannome grandioso: la particella di Dio. Come si scoprirà proseguendo nella lettura, poche cose accomunano i fisici quanto lo sdegno per questo nome. Il loro disprezzo è pari soltanto alla gioia di chi scrive i titoli per gli articoli dei giornali, per i quali quel nome è stato, in tutt altro senso, la salvezza. Questo libro racconta la storia di come l universo sia diventato «pesante» e di come un idea, scritta su un blocco di appunti quasi mezzo secolo fa, sia diventata l obiettivo di una caccia globale, costata diversi miliardi di dollari, che ha coinvolto migliaia di scienziati e le più grandi e più complesse macchine mai costruite dall uomo. In qualunque modo la si guardi, questa storia ha avuto e ha un peso enorme.

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11 1. La lunga strada verso Princeton Nel migliore dei casi, guidare fino a Princeton poteva prendere buona parte di una giornata. Il percorso seguiva la linea costiera del litorale orientale, girava attorno all ampia insenatura di Chesapeake Bay, per poi procedere verso Washington, Baltimora e Philadelphia, prima di arrivare infine alla città in cui ebbe dimora il più grande fisico di tutti i tempi, Albert Einstein. Peter Higgs mise in valigia alcuni vestiti e un raccoglitore pieno di appunti e si diresse verso la macchina con la moglie, Jody, e il figlio, Christopher, di soli sei mesi. Gettò la valigia nel portabagagli e osservò a lungo la mappa stradale. Esaminato il tragitto, partì in direzione nordest attraverso strade alberate, e oltre, verso l autostrada, lasciandosi alle spalle la città che tornava lentamente alla vita sotto il Sole, in quel mattino di primavera. Era il 14 marzo Higgs, un fisico dell Università di Edimburgo, si era trasferito l anno precedente a Chapel Hill nel North Carolina per un anno sabbatico presso l università della città. 1 Lì, il suo lavoro attirò l attenzione di un illustre scienziato, il quale lo invitò a tenere un seminario al Princeton s Institute for Advanced Study, uno dei più importanti centri intellettuali del mondo e luogo in cui Einstein stesso trascorse gran parte della sua vita lavorativa. Quel seminario era destinato sin dall inizio a diventare oggetto di grandi discussioni: Higgs aveva appena scoperto quella che poi sarebbe stata identificata come l origine della massa. Quel viaggio risultò essere molto più di una normale visita accademi-

12 14 Higgs e il suo bosone ca. Segnò l inizio di una catena di eventi che catapultò Higgs al centro della ribalta scientifica e gettò le basi per la più grande ricerca mai concepita dalla fisica moderna. Usando macchine che occupano chilometri di tunnel nel sottosuolo e il cui costo è dell ordine di diversi miliardi di dollari, migliaia di scienziati hanno speso decenni nella ricerca di quella particella che rappresenta il fulcro della teoria di Higgs. Il loro mantra era semplice: scopri la particella di Higgs e il mistero dell origine della massa sarà risolto. Per secoli, gli scienziati neppure si erano posti il problema dell origine della massa, almeno non nel senso che oggi attribuiamo alla parola «origine». La parola massa descriveva quanta materia costituiva un oggetto e materia altro non era che un termine più raffinato per dire «roba». Un blocco di roccia aveva più massa di una pagnotta (a meno che il panettiere avesse avuto una giornata storta), e questo era tutto. Il significato di massa era così intuitivo e concreto che nessuno aveva mai pensato seriamente di metterlo in discussione. Alcune nozioni vaghe e incomplete di massa emersero nell antichità e vennero poi sviluppate nel corso del Medioevo. Egidio Romano, eminente teologo e tra i più influenti pensatori della seconda metà del xiii secolo, fece un importante passo concettuale distinguendo tra le dimensioni di un oggetto e la quantità di materia in esso contenuta. 2 Un blocco di ghiaccio, per esempio, chiaramente modificava la propria forma quando veniva fuso trasformandosi in acqua, quest ultima veniva trasformata in vapore, il vapore veniva condensato e infine l acqua veniva riportata allo stato solido. Tuttavia la quantità di materia egli sosteneva rimaneva la stessa qualunque forma quella sostanza assumesse. L osservazione, che certamente sollevò accese discussioni teologiche in merito al problema della transustanziazione, rispecchia in fondo le moderne definizioni di volume e massa. Agli inizi del xiv secolo, il filosofo francese Jean Buridan (Giovanni Buridano) ricorse al concetto di massa per descrivere come lanciando un oggetto a esso venisse impresso un impeto (impetus). Tale impeto risultava dipendere da quanta materia l oggetto contenesse e dalla velocità alla quale esso veniva lanciato. 3 L astronomo tedesco Johannes Kepler (Giovanni Keplero), nel xvi secolo, fece un ulteriore passo avanti sostenendo che i pianeti rimanessero perfettamente nelle proprie orbite e non se ne

13 1. La lunga strada verso Princeton 15 andassero a spasso per lo spazio come palle da biliardo impazzite proprio grazie all inerzia prodotta dalle loro enormi masse. Nonostante il prezioso lavoro dei primi filosofi e dei primi astronomi, il termine massa non venne utilizzato sistematicamente fino al 1687, allorché Isaac Newton gettò le fondamenta della meccanica classica con un opera imponente ma perlopiù inaccessibile: i Principia. 4 In essi Newton affermava che la massa è una misura della quantità materia e che dipende dal volume e dalla densità dell oggetto. La massa di un oggetto ne determina l inerzia, ovvero quanto esso si oppone a una spinta, ma anche quanto intensamente risente della forza di gravità. Poste queste definizioni, Newton ne dedusse le leggi fondamentali del moto. Newton aveva una comprensione intuitiva dei concetti di massa e materia che andava ben più in profondità di quanto avesse lasciato intendere nei Principia. Credeva che gli oggetti materiali fossero costituiti da innumerevoli piccole particelle create da Dio e indistruttibili. Le particelle avevano forme e dimensioni differenti e si legavano a formare materiali differenti. Tutto ciò che l uomo poteva sperare era di modellare nuove forme e oggetti a partire da questi agglomerati di particelle infinitamente piccole. Quasi vent anni dopo la pubblicazione dei Principia, Newton si concesse di fare nuove indagini sulla natura della materia in quella successiva e più accessibile grande opera che è l Opticks. Scrisse: «Mi sembra probabile che Dio al principio abbia creato la materia sotto forma di particelle solide, compatte, dure, impenetrabili e mobili [ ] tanto perfettamente dure, da non poter mai consumarsi o infrangersi». 5 Le riflessioni di Newton sulla materia non erano poi così lontane dalla realtà. Oggi, gli scienziati concepiscono la materia come costituita da una manciata di particelle quasi indistruttibili. Occorse più di mezzo secolo perché gli scienziati identificassero tali costituenti ultimi della materia, i quali, aggregandosi, formano le viscere degli atomi. I diversi modi in cui questi costituenti si aggregano danno origine alla varietà degli elementi chimici della tavola periodica: atomi che formano metalli, cristalli, liquidi e gas e che si mescolano a produrre un elenco quasi infinito di molecole. Gli scienziati chiamano i mattoncini ultimi della materia particelle fondamentali o elementari; per definizione, esse non possono essere spezzate in parti più piccole. La prima particella elementare venne scoperta nel

14 16 Higgs e il suo bosone 1897 da J.J. Thomson, ai laboratori Cavendish dell Università di Cambridge. 6 Thomson, come molti altri fisici a quell epoca, era interessato alla natura di quei raggi luminescenti che apparivano quando una differenza di potenziale veniva applicata alle estremità di un tubo di vetro riempito con un gas a bassa pressione. I raggi passavano dal catodo, l elettrodo caricato negativamente, all anodo, caricato positivamente. Da che cosa fossero costituiti quei raggi restava un mistero. Thomson avviò una serie di esperimenti per studiare la natura di questi curiosi «raggi catodici». In uno di questi esperimenti utilizzò un tubo a vuoto, lungo circa 38 cm, che presentava un estremità rivestita internamente di uno strato di materiale fosforescente. Thomson modificò l anodo in modo tale da creare su di esso una fenditura che permettesse a una parte dei raggi provenienti dal catodo di oltrepassare l anodo e produrre una macchiolina luminosa sullo strato fosforescente. Il suo colpo di genio, però, fu di porre all interno del tubo a vuoto una seconda coppia di elettrodi paralleli attraverso la quale i raggi sarebbero dovuti passare. Quando Thomson collegò tali elettrodi a una batteria, scoprì che il punto luminoso si muoveva repentinamente, indicando una deflessione del raggio che si allontanava dalla lamina negativa per avvicinarsi a quella positiva. Esperimenti successivi mostrarono poi che i raggi catodici erano costituiti da un flusso di piccolissime particelle cariche negativamente. Thomson le chiamò elettroni, utilizzando un termine coniato vent anni prima dal fisico irlandese George Johnstone Stoney, e suggerì che fossero l ingrediente onnipresente in tutti gli atomi sino ad allora noti agli scienziati. Incoraggiato dalla sua scoperta, Thomson propose il cosiddetto modello a panettone dell atomo): 7 gli atomi venivano rappresentati come sfere di materia uniformemente carica positivamente, punteggiata da piccole cariche negative, gli elettroni. Risultò poi che il «panettone» atomico di Thomson non era precisamente ciò che la Natura aveva ordinato. 8 Quell idea decadde quando il fisico e chimico di origini neozelandesi Ernest Rutherford annunciò la notizia sorprendente che gli atomi erano in gran parte vuoti. Nel 1911, infatti, egli giunse ad affermare che pressoché l intera massa dell atomo era come impacchettata entro una regione centrale molto piccola e carica positivamente, il nucleo. Verso la fine del decennio, Rutherford esplorò an-

15 1. La lunga strada verso Princeton 17 cora più in profondità il nucleo ed emersero le evidenze di un nuovo tipo di particella al suo interno, il protone, carico positivamente. Intorno alla metà degli anni trenta, i fisici ritenevano di avere scoperto i principali costituenti della materia. Il nucleo di un atomo era formato da protoni e (a eccezione dell atomo di idrogeno, il più semplice in natura) 9 da un altro tipo di particella, priva di carica, che venne scoperta dal fisico inglese James Chadwick 10 nel A tale particella venne dato il nome di neutrone. Uno o più elettroni di carica negativa, poi, circondavano il nucleo. Questa interpretazione della struttura dell atomo era sulla buona strada, benché fosse incompleta. Solo più tardi gli scienziati si accorsero che protoni e neutroni non sono affatto particelle elementari. A differenza degli elettroni, protoni e neutroni sono costituiti da particelle ancora più piccole, chiamate quark. Ci volle molto tempo perché i fisici accettassero che i quark fossero particelle reali, innanzitutto perché nessuno ne aveva mai osservato uno. I primi ad avanzare l idea che protoni e neutroni fossero costituiti da quark furono i fisici americani Murray Gell-Mann e Georg Zweig, i quali vi giunsero separatamente nel Il comportamento di protoni e neutroni risultava comprensibile soltanto ammettendo che contenessero una terna di quark. La proposta era ancora dibattuta quando Peter Higgs fece visita all Institute for Advanced Study, nel I quark sarebbero stati ampiamente accettati come particelle fisiche reali soltanto alcuni anni più tardi. Nel mezzo secolo, o giù di lì, che seguì il lavoro di Thomson sull elettrone, i fisici identificarono circa duecento tipi diversi di particelle, molte delle quali risultarono essere coppie o terne di altri ingredienti subatomici. 12 La proliferazione di particelle stava diventando motivo di confusione entro la comunità dei fisici, ma verso la metà degli anni settanta si riuscì a fare ordine grazie a ciò che a ragione potrebbe considerarsi il coronamento della fisica delle particelle. Noto come Modello Standard, un nome tanto banale da risultare quasi offensivo, si tratta di una teoria in grado di spiegare l intera materia conosciuta grazie a una manciata di particelle propriamente elementari. 13 In base al Modello Standard, ci sono ventiquattro particelle identificabili come i veri mattoncini di base della materia. Tra di esse, troviamo sei tipi di quark (chiamati up, down, top, bottom, charm e strange), i qua-

16 18 Higgs e il suo bosone li si raggruppano in tre varietà a seconda del valore di una loro proprietà che viene chiamata carica di colore. 14 La carica di colore può essere rossa, verde o blu, ma tali nomi non hanno alcuna attinenza con il significato visivo di colore. Semplicemente, quark di diverso colore si attraggono l un l altro. Le rimanenti sei particelle sono invece chiamate leptoni, famiglia che include gli elettroni e particelle evanescenti quasi totalmente prive di massa chiamate neutrini. I neutrini sono così poco interagenti da attraversare senza difficoltà qualunque cosa si frapponga sul loro cammino. Tutta la materia stabile che conosciamo nel nostro universo è basata su elettroni e quark. Le altre particelle che intervengono nel Modello Standard non sono veri e propri mattoncini di materia, ma hanno per così dire altre mansioni. Quattro di loro, in particolare, sono responsabili della trasmissione delle forze fondamentali della natura e vengono chiamate bosoni. 15 Non cadiamo attraverso il pavimento grazie alla forza elettromagnetica e le particelle mediatrici di tale forza sono i fotoni, che essenzialmente sono particelle di luce. All interno dei nuclei atomici, i quark sono per così dire incollati gli uni agli altri dalla interazione «forte», la quale è mediata da particelle che molto opportunamente sono state chiamate gluoni (dall inglese glue, colla). Altre particelle, chiamate bosoni W e Z, sono le particelle mediatrici dell interazione cosiddetta «debole», che interviene quando certi elementi radioattivi decadono. 16 Un ulteriore particella, infine, completa il Modello Standard: è una particella teorica, prevista cioè dalla teoria di Peter Higgs e nota come bosone di Higgs. A questo punto saremmo del tutto giustificati se pensassimo che il Modello Standard abbia esaurito tutto ciò che doveva essere detto in merito all origine della massa. Se tutta la materia stabile è costituita da quark ed elettroni, allora queste particelle elementari rappresentano certamente la più piccola unità di massa possibile. In base a ciò, dovremmo dire che esse sono l origine della massa. Si potrebbe dedurre quanta massa è contenuta in un oggetto semplicemente sommando i contributi dei miliardi e miliardi di quark ed elettroni al suo interno. Il problema è che le cose non sono così semplici. Quando i calcoli non tornano fin dall inizio, di solito significa che stai dimenticando qualcosa. Ed è proprio il nostro caso. Un protone contiene due quark up e un quark down. Se sommiamo le masse dei tre quark, il

17 1. La lunga strada verso Princeton 19 totale risulta essere solo l 1% della massa del protone. Un buon 99% della massa del protone non si spiega. La stessa cosa succede per i neutroni, che contengono un quark up e due quark down. Se l ultima parola sulla massa l avesse avuta Newton cioè che essa sia semplicemente una misura della quantità di materia, allora sommando le masse dei quark avremmo dovuto ottenere i valori esatti. Ma Newton conosceva solo una parte della storia. Quella massa mancante proveniva da qualcos altro. C è in natura molta più massa di quanto sembri a prima vista. A quanto corrisponda questo «molta di più» divenne più chiaro quando, nel 1905, un Albert Einstein ventiseienne, che all epoca aveva un impiego a tempo pieno all Ufficio brevetti di Berna, in Svizzera, pubblicò un articolo dal titolo: «Può l inerzia di un corpo dipendere dal suo contenuto di energia?». Per rovinarvi il finale, la risposta è sì. Einstein dimostrò che massa ed energia sono intercambiabili, che la massa può essere considerata una misura di quanta energia un oggetto contiene. Per l establishment scientifico fu un fulmine a ciel sereno, ma si tratta di una conseguenza inevitabile della cosiddetta teoria della relatività ristretta di Einstein. 17 L equazione ricavata da Einstein fu m = E/c 2, in base alla quale la massa di un oggetto è pari alla sua energia divisa per il quadrato della velocità della luce nel vuoto. Invertita, tale equazione diventa la fin troppo familiare E = mc 2. Il valore gigantesco della velocità della luce nel vuoto (prossimo a km/s) rende immediato osservare che anche masse molto piccole possono racchiudere enormi quantità di energia. La scoperta di Einstein apre la strada alla comprensione del motivo per cui la massa del protone risulta maggiore della somma delle sue componenti. I tre quark all interno del protone giustificano l 1% della sua massa, ma essi sono trattenuti e legati uno all altro da forze straordinariamente grandi. La gran parte della massa del protone proviene dall energia imprigionata nel movimento dei quark al suo interno e dall energia di legame che li tiene uniti. Questo ci conduce a una verità che merita sottolineare: qualunque oggetto si voglia citare, dal proprio cane al proprio cellulare, deve gran parte della sua massa all intensa energia che occorre per tenerlo insieme. L equivalenza tra massa ed energia messa in luce da Einstein è magnificamente dimostrata all interno dei grandi acceleratori di particelle utilizzati dai fisici per studiare le particelle subatomiche. Sbatti una contro

18 20 Higgs e il suo bosone l altra due particelle a velocità sufficientemente elevata ed è probabile che le macerie, i prodotti della collisione, contengano particelle più pesanti di quelle da cui si è partiti. L energia rilasciata quando le particelle collidono si converte quasi istantaneamente in nuova materia. Newton e Einstein gettarono le fondamenta della nostra comprensione della natura della massa, ma negli anni sessanta era ormai chiaro che mancava ancora qualcosa. Gli scienziati non erano in grado di spiegare da che cosa traessero la propria massa le particelle elementari. La teoria di Higgs sembrava risolvere proprio questo mistero. Diede agli scienziati la speranza, come mai prima, di descrivere compiutamente l origine della massa di tutto ciò che conoscevano. Peter Higgs giunse a Chapel Hill per prendere casa il 6 settembre 1965, avendo lasciato la moglie Jody, in quel periodo in avanzata gravidanza, con i genitori, a Urbana, nell Illinois. In università, egli si accinse a scrivere il suo primo e importante articolo sull origine della massa. Il 24 settembre stava lavorando all articolo nella biblioteca del suo nuovo dipartimento quando ricevette una chiamata telefonica. Era nato il suo primo figlio, Christopher. Higgs terminò l articolo in novembre e inviò una copia per la pubblicazione e poche altre a fisici che pensava potessero essere interessati. Anche se in quel periodo non era per nulla chiaro, la teoria di Higgs faceva riferimento a un momento critico della nascita del nostro universo. La teoria asseriva, infatti, che all inizio i mattoncini di materia erano senza peso. Le particelle elementari erano totalmente prive di massa. In seguito, una frazione di secondo dopo il Big Bang, l esplosione cataclismatica che scaraventò l universo nell esistente, accadde qualcosa: 18 si attivò un campo di energia prima sconosciuto che invase lo spazio. In un istante, particelle di massa nulla che vagavano alla velocità della luce vennero catturate dal campo e divennero massive. Quanto più intensamente risentirono degli effetti del campo, tanto maggiore fu la massa che assunsero. Il tempo ebbe inizio 13,7 miliardi di anni fa con la prima esplosione mai avvenuta. 19 L universo, allora una microscopica sferetta di altissima energia, era troppo caldo perché emergessero le leggi fisiche come le conosciamo oggi. In un batter d occhio (sempre che ce ne sia stato in giro uno a osservare) l universo crebbe alle dimensioni di una palla da spiaggia e si «raffreddò» a una temperatura di circa diecimila milioni di milio-

19 1. La lunga strada verso Princeton 21 ni di gradi Celsius, abbastanza perché prendesse vita il campo di Higgs. In quell istante, i primi mattoncini di materia vennero imbrigliati, resi pesanti e lenti, come mosche in un piatto di minestra. Il campo di Higgs è cruciale per la struttura del nostro universo e per la possibilità che esso supporti la vita così come la conosciamo. Senza questo campo le particelle elementari si comporterebbero come la luce. La chimica cui siamo abituati non sarebbe possibile. 20 La materia non si aggregherebbe negli atomi che vediamo oggi. Stelle e pianeti non si sarebbero formati. Il nostro sistema solare sarebbe una landa desolata senza vita e così sarebbe per tutti i sistemi stellari, ovunque nell universo. Al cuore della teoria di Higgs troviamo una nuova particella, associata a questo campo generatore di massa. In un certo senso, il bosone di Higgs è parte stessa del campo residuo rimasto dopo aver dato vita alla massa delle particelle. 21 La principale speranza che i fisici hanno di comprovare la teoria di Higgs risiede proprio nella dimostrazione dell esistenza di tale particella. Poco tempo dopo aver inviato il suo articolo al mondo accademico, Higgs ricevette una lettera nel suo ufficio di Chapel Hill. Veniva da Freeman Dyson, il matematico inglese che, durante la Seconda guerra mondiale, aveva lavorato al comando bombardieri della Royal Air Force. Dyson aveva attraversato l Atlantico all età di ventitré anni, con in mano una lettera che lo indicava come il miglior matematico d Inghilterra. Da allora era diventato professore emerito al Princeton s Institute for Advanced Study. La lettera di Dyson era estremamente cordiale e non avrebbe potuto essere più lusinghiera. Dyson spiegava quanto avesse apprezzato l ultimo lavoro di Higgs e quanta chiarezza tale lavoro avesse apportato al quadro confuso della fisica degli ultimi tempi. Chiedeva inoltre a Higgs di tenere un seminario sulla sua teoria all istituto, la primavera successiva. Higgs rimase sorpreso ma accettò senza pensarci due volte. L entusiasmo di Dyson per quel lavoro non deve lasciar pensare che a Higgs si fossero aperte di colpo tutte le porte all Institute for Advanced Study. A Princeton lavoravano alcune tra le menti fisiche più brillanti al mondo ed era pressoché sicuro che alcuni avrebbero disapprovato la teoria di Higgs. Da quando Louis Bamberger, un filantropo americano, lo fondò negli anni trenta, all istituto vennero riuniti molti fisici di fama, da

20 22 Higgs e il suo bosone tutto il mondo. Albert Einstein, il più famoso, trascorse lì gli ultimi venticinque anni della propria vita, cercando di comprendere come fossero sorte le forze fondamentali della natura. Vi risiedette anche il matematico e logico austriaco Kurt Gödel, naturalizzato statunitense, che con il suo lavoro cercò di ridefinire i limiti della conoscenza umana e turbò Einstein osservando che le sue teorie rendevano possibili viaggi nel tempo. 22 Vi lavorò anche John von Neumann, il padre dell informatica moderna, che trasformò la matematica dei giochi d azzardo in una strategia politica per vincere la Guerra fredda. 23 Nel 1946 venne posta a capo dell istituto quella figura straordinaria che fu Robert Oppenheimer, colui che condusse il Progetto Manhattan alla costruzione della prima bomba atomica. La sua nomina aggiunse a quel luogo un ulteriore aura di timore reverenziale. Oppenheimer era famoso per il suo temperamento irascibile e la lingua affilata e poteva dare il peggio di sé quando doveva comparire ai seminari settimanali che si tenevano al campus. Non era inusuale per lui maltrattare i relatori meno sicuri, confondendoli implacabilmente e correggendoli prima ancora che avessero la possibilità di rispondere. Era un tratto del suo carattere che Dyson disprezzava e talvolta tra i due si scatenavano accese discussioni al termine dei seminari. Dyson mi disse: «Oppenheimer cercava sempre di dirti quello che avresti detto se fossi stato intelligente come Oppenheimer». 24 Mentre guidava, il pensiero di Higgs andava al seminario che avrebbe dovuto tenere il giorno seguente. L uditorio sarebbe stato completamente diverso da tutti quelli cui aveva già avuto occasione di parlare. Quando la sua attenzione tornò alla strada, venne stretto dalla morsa del panico. 25 Accostò, temendo di perdere il controllo dell auto. Fermo al bordo della strada, fece alcuni profondi respiri e cercò di riprendere la calma. In quell istante vide un cartello stradale: l uscita per Princeton era solo a poco più di un chilometro. Era quasi arrivato. L Institute for Advanced Study si trova in mezzo a quasi tre chilometri quadrati di giardini panoramici, poco fuori Princeton. Higgs però non andò direttamente all istituto. Fece una deviazione che lo portò in città, dove parcheggiò l auto per andare in cerca di un ufficio postale. Poche parole con l addetto delle poste e da dietro il bancone l uomo gli porse una «busta primo giorno» con i francobolli commemorativi da 8 cent

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