Massimo Pedretti

Il bosone di Higgs, la scoperta italiana che cambia l’universo

Ugo Amaldi,Sempre più veloci. Perché i fisici accelerano le particelle: lavera storia del bosone di Higgs,Bologna, Zanichelli 2013, pp. 280, €10,50

È chiamata pomposamente “particella di Dio” perché grazie ad essa ogni cosa nell’universo ha una massa e la materia esiste così come la conosciamo. I fisici, meno enfatici rispetto a chi diffonde il sapere scientifico, preferiscono chiamarlo bosone di Higgs, [...]

È chiamata pomposamente “particella di Dio” perché grazie ad essa ogni cosa nell’universo ha una massa e la materia esiste così come la conosciamo. I fisici, meno enfatici rispetto a chi diffonde il sapere scientifico, preferiscono chiamarlo bosone di Higgs, dal nome dello scienziato scozzese Peter Higgs, che nel 1964 ne aveva teorizzato l’esistenza insieme ad altri cinque colleghi. Questa particella è l’ultimo mattone del quale la fisica contemporanea riteneva di avere bisogno per completare la principale delle sue teorie, chiamata Modello Standard. E qui c’è il primo intoppo per i non addetti ai lavori. Il Modello Standard è una teoria quantistica che descrive tre delle quattro forze fondamentali note fino ad oggi – ossia le interazioni forte, elettromagnetica e debole – e tutte le particelle elementari ad esse collegate. La forza gravitazionale ne rimane esclusa. Le previsioni del Modello Standard sono state in larga parte verificate sperimentalmente con un’ottima precisione, tuttavia esso, non comprendendo la gravità per la quale non esiste una teoria quantistica coerente, non può essere tuttora considerato una teoria completa delle interazioni fondamentali.

Il Modello Standard – il quale non prende in considerazione l’esistenza della materia oscura, che costituisce gran parte della materia dell’universo – è insomma una sorta di “catalogo della materia” che prevede comunque l’esistenza di tutti gli ingredienti fondamentali dell’universo così come lo conosciamo. In questo modello sono comprese le 24 particelle elementari (subatomiche) organizzate in due famiglie: i quark e i leptoni, che sono i veri e propri mattoni della materia (presenti nell’infinitamente grande, come le galassie, nel grande, come gli esseri umani, e nel mondo microscopico). L’ipotesi di partenza da cui muovevano gli scienziati è che l’intero universo sia abitato da un venticinquesimo campo quantistico (che si aggiunge ai 24 del Modello Standard) sorto dopo il Big Bang e detto campo scalare o campo di Higgs.

I fisici teorici di tutto il mondo si stavano arrovellando da decenni su una anomalia: la differenza di massa delle particelle (gluoni, fotoni, astenoni e gravitoni) che agiscono da mediatrici tra le quattro forze fondamentali e le particelle della materia (quark e leptoni). Il campo di Higgs è un meccanismo convincente per spiegare il mistero della massa. D’ora in avanti, insomma, l’universo sarà un luogo più stabile, perché quella che viene ritenuta l’ultima particella elementare del Modello Standard è stata finalmente trovata. Secondo gli scienziati solo così si spiega perché l’universo è un luogo pieno di stelle e pianeti, di chimica e fisica, e non una zuppa informe, fatta di particelle che fuggono all’infinito senza incontrarsi mai. Ma si tratta anche dell’apertura di un capitolo nuovo. Dai prossimi mesi gli strumenti di fisica più potenti del mondo verranno rimessi in moto per definire meglio i dettagli dell’impronta del bosone di Higgs e per partire alla ricerca di quella parte dell’universo composta da materia oscura ed energia oscura, ingredienti a noi del tutto ignoti ma che pure rappresentano il 96% del contenuto dell’intero universo.

Per catturare l’impronta del bosone di Higgs c’è voluto l’acceleratore di particelle più potente del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc), un tunnel sotterraneo lungo 27 chilometri, che lambisce il lago di Ginevra e le pendici del Giura, il quale ha iniziato a scagliare protoni furiosamente l’uno contro l’altro nel 2009 dopo 20 anni di costruzione e 10 miliardi di euro di spesa. La lunga attesa per mettere nel sacco il bosone di Higgs è dovuta in buona parte alla necessità di costruire questo gioiello della tecnologia, con cui l’Europa ha nettamente scavalcato gli Stati Uniti e a cui l’Italia partecipa con 3 mila dei circa 10 mila scienziati attraverso l’Istituto nazionale di fisica nucleare. Tre dei quattro esperimenti che studiano i frammenti di particelle generati dalle collisioni fra i protoni sono attualmente guidati da fisici italiani.

 

Quando tutto ebbe inizio

La storia della ricerca fisica, e soprattutto di quella legata agli acceleratori, veri e propri microscopi dell’infinitamente piccolo, è una storia che riguarda gli aspetti fondamentali della natura – dalla struttura della materia alla genesi dell’universo e dunque dell’uomo – che si intrecciano con applicazioni di grande valore pratico, in particolare per la diagnosi e la cura di molte malattie. C’è anche un altro aspetto deleterio, per la verità, che qui però è fuori tema: l’utilizzo bellico delle scoperte legate alla fisica nucleare. Il grande sviluppo degli acceleratori di particelle come l’Lhc ha avuto inizio circa 80 anni fa. Inizialmente li si è usati per studiare la struttua della materia, successivamente ci si è accorti che gli urti tra particelle accelerate producevano nuove particelle instabili che sopravvivevano per meno di un milionesimo di secondo dopo l’urto e non si trovano nella materia di cui è fatto il mondo intorno a noi. Dall’acceleratore messo a punto dallo scienziato olandese Wilhelm Conrad Rontgen alla fine dell’Ottocento, con la conseguente scoperta dei raggi X, fino all’Lhc del Cern, entrato in funzione nel 2009, il percorso è stato lungo e costellato di una costante alternanza di errori, intoppi e ripartenze.

Quando nel XIX secolo si cominciò ad approfondire la conoscenza dell’infinitamente piccolo si scoprì che una molecola è un composto di atomi (per esempio, nel caso dell’acqua, formata da un atomo di ossigeno e due di idrogeno). Analizzando gli atomi si scoprì che sono a loro volta scomponibili in un nucleo, formato da particelle chiamate protoni e neutroni, attorno al quale orbitano altre particelle chiamate elettroni. Negli anni Sessanta del secolo scorso si arrivò ad approfondire ancora di più, per scoprire che protoni e neutroni sono costituiti da particelle ancora più elementari, i quark. Oggi gli scienziati pensano che tutte le cose siano fatte di due tipi di  particelle subatomiche fondamentali, i quark e i leptoni, che si combinano tra loro come in un gioco delle costruzioni (un protone per esempio è costituito da due quark up e un quark down, un neutrone da due quark down e un quark up, un elettrone è un protone).

I quark non si trovano mai isolati, ma solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone, con carica positiva, e il neutrone, con carica neutra. I leptoni sono suddivisi in tre famiglie: gli elettroni, i muoni e i tauoni, tutti con carica negativa. Ad ognuno è associato un particolare neutrino. Questi costituenti elementari si parlano scambiandosi delle altre particelle “messaggere”, che sono i fattorini delle forze fondamentali della natura: i fotoni (la luce in tutte le sue forme) trasporta la forza elettromagnetica, che è quella responsabile di tutta la chimica e le interazioni; i gluoni scambiano la forza “forte”, che tiene insieme i quark e i nuclei degli atomi; gli astenoni si occupano di scambiare la forza “debole”, che è quella responsabile della radioattività. Dunque sembrano esserci tutti gli ingredienti della materia e pure i collanti per tenerla insieme.

 

Il Modello Standard

La teoria che descrive i componenti fondamentali di tutte le cose (il cosiddetto Modello Standard) funziona apparentemente molto bene, ma ha un piccolo difetto: non prevede che le particelle abbiano una massa. Nessuna massa, dunque particelle senza peso. È un  controsenso, perché noi sappiamo benissimo che le cose hanno una massa e dunque la devono avere pure le particelle che le compongono. Negli anni ‘60 del secolo scorso Peter Higgs ipotizzò una soluzione. Tutti questi componenti della materia sarebbero inanimati senza una massa ed è il bosone di Higgs che li costringe a interagire tra loro e ad aggregarsi (il termine bosone viene da Satyendra Nath Bose, fisico indiano che negli anni Venti si occupò delle speciali proprietà dei fotoni).

Supponiamo dunque che le particelle in effetti non abbiamo massa di per sé, ma che nell’universo esista però un campo che pervade tutto, una sorta di melassa cosmica che le particelle devono attraversare quando si muovono. Questa melassa frenerebbe in modo diverso ogni particella (e ogni composto di particelle) rendendola più o meno pesante. Tradotta in equazioni l’idea funzionava: le particelle acquisivano massa e le equazioni della teoria rimanevano valide. Higgs andò oltre nei suoi calcoli e notò che se la sua ipotesi era dimostrabile allora questa sorta di melassa cosmica, oltre a dare massa alle particelle, ogni tanto doveva anche raggrumarsi su se stessa, dando vita a una nuova particella che venne battezzata appunto bosone di Higgs, una particella molto pesante che determinerebbe, a seconda del “livello” di interazione con le altre particelle, la loro massa.  Ma, anche se il Modello Standard ha avuto un grosso successo nello spiegare i risultati sperimentali, esso non è mai stato accettato come una teoria completa della fisica fondamentale.

I protagonisti italiani

Nello stesso luogo dove nel 1983 Carlo Rubbia annunciò la scoperta del bosone intermedio W, nell’auditorium del Cern di Ginevra, un altro fisico italiano, Fabiola Gianotti, insieme all’americano Joseph Incandela, ha presentato lo scorso luglio i dati che quasi trent’anni dopo confermano la scoperta del bosone di Higgs, vale a dire il “mattone” che dovrebbe dare la massa a tutti gli elementi dell’universo. Fabiola Gianotti guida da anni la collaborazione internazione ATLAS, uno dei due esperimenti che hanno scoperto il bosone. Gianotti ha 51 anni e dal 1987 è parte del grande team del Cern di Ginevra: è tra i cervelli che hanno ideato e condotto Atlas, uno dei mega-esperimenti lungo l’anello sotterraneo dell’Lhc, l’acceleratore di particelle più grande del mondo e anche il più grande progetto scientifico-tecnico mai realizzato. L’altro si chiama CMS ed è stato guidato fino a qualche mese prima dell’annuncio da un altro scienziato italiano, Guido Tonelli. Entrambi fanno parte del gruppo di 7 scienziati insigniti del prestigioso Fundamental Physics Prize per  “la loro leadership nell’impresa scientifica che ha condotto alla scoperta del bosone di Higgs.” L’abbraccio commosso dell’ottantaquattrenne Peter Higgs a Fabiola Gianotti ha sancito del resto la scoperta più importante di questo inizio di terzo millennio. E il risultato è valso alla scienziata di origini torinesi il riconoscimento di “Persona dell’anno 2012” dalla rivista americana ‘Time’. Qui accanto avete la possibilità di leggere una testimonianza esclusiva dell’altro protagonista italiano della scoperta, Guido Tonelli.

Nell’acceleratore Lhc collidono due fasci di protoni ad alta energia. Un termine che intende in realtà alte densità di energie: ciascuno dei protoni che collidono ha infatti “soltanto” l’energia di un moscerino in volo ma la densità è enorme, in quanto un moscerino è fatto di centinaia di miliardi di miliardi di protoni e neutroni. Seimila fisici di tutto il mondo hanno collaborato alla realizzazione di due giganteschi rivelatori ottimizzati per la ricerca del bosone di Higgs, montati cento metri sotto terra. Uno di questi, Atlas, che ha le dimensioni di un palazzo di sei piani, è il più grande rivelatore mai costruito. Nell’Lhc ogni cinquanta miliardesimi di secondo avvengono miliardi di collisioni protone-protone e sono stati necessari due anni di registrazioni, dopo decenni di lunghi esperimenti andati a vuoto, per far cadere nella rete dell’Lhc l’inafferrabile bosone di Higgs.

La creazione di un bosone di Higgs (simbolo H°, massa circa 125 GeV, carica elettrica 0) è dovuta alla fusione tra un gluone di un protone ad alta energia e un gluone dell’altro protone con cui collide. Appena prodotto il bosone H° decade in un gran numero di particelle più leggere, ma esso gioca un ruolo fondamentale in quanto portatore di forza del campo di Higgs, che secondo la teoria permea l’universo conferendo la massa alle particelle elementari e giustifica il fatto che esse abbiano masse diverse tra loro. Molti sono gli esempi degli scienziati per spiegare il funzionamento del bosone di Higgs. Il fisico teorico inglese John Ellis lo racconta così. Immaginate un’infinita distesa di neve, un campo esteso lungo tutto lo spazio. Il campo di neve è fatto di fiocchi di neve, allo stesso modo il campo di Higgs è composto di piccoli quanti, i bosoni di Higgs. A seconda di come le particelle interagiscono con H° acquisiscono masse differenti. Immaginiamo allora che uno sciatore attraversi un campo innevato: egli passa sopra la neve, non interagisce con il campo, scorre via come una particella senza massa che viaggia alla velocità della luce. Se invece si cammina con gli scarponi si affonda nella neve, si viaggia meno velocemente, come una particella dotata di massa che interagisce con il campo, se poi si affonda nella neve si va molto piano, come una particella dotata di massa maggiore.

Un’altra spiegazione affascinante è quella del fisico teorico olandese Martinus Veltman, premio Nobel nel 1999. Interagendo con il campo di Higgs le particelle acquistano massa come pezzetti di carta assorbente che si impregnano di inchiostro. I pezzetti di carta rappresentano le singole particelle e l’inchiostro rappresenta l’energia, cioè la massa. Coriandoli di carta assorbente di dimensioni diverse per dimensioni e spessore assorbiranno quantità diverse di inchiostro; in modo analogo particelle diverse “assorbono” quantità diverse di massa. La massa osservata dipende dalla capacità della particella di assorbire energia e dall’intensità del campo di Higgs nello spazio.

 

La macchina del tempo

La conferma dell’esistenza del bosone di Higgs apre nuovi scenari lungo un percorso di ricerca che porta i fisici a non dire mai che la formula matematica del Modello Standard è del tutto soddisfacente. Esso non è infatti in grado di spiegare perché le interazioni del campo di Higgs con i campi-materia – che determinano le enormi differenze di massa tra le particelle – siano tanto diverse da un caso all’altro. In ogni caso il cammino dell’umanità negli ultimi 150 anni ha portato a straordinari risultati sul piano della spiegazione dei fenomeni dell’universo. Ma, ovviamente, siamo solo all’inizio. Ora il lavoro degli scienziati è votato alla ricerca delle prove dell’esistenza delle superparticelle, alla spiegazione dei legami delle quattro forze (debole, elettromagnetica, forte e gravitazionale), alla dimostrazione della teoria delle stringhe. Tutti piccoli passi che porteranno lontano, in quale direzione al momento non è dato sapere.

Il fascino dello sguardo, tuttavia, non è tale soltanto se proiettato al futuro. Le risposte che cerchiamo sulla nostra esistenza, da Socrate in poi, sono anche – e soprattutto – rivolte al passato. Per conoscere gli inizi dell’universo dobbiamo ricorrere a ciò che abbiamo appreso, ancora una volta grazie agli acceleratori, sulle interazioni tra le perticelle fondamentali. L’Lhc e gli altri potenti calcolatori in uso oggi consentono di tentare di ricostruire ciò che è avvenuto dal Big Bang fino a 380 mila anni dopo, l’epoca in cui l’universo è diventato trasparente e quindi visibile. Ripercorrendo all’indietro nel tempo l’allontanamento delle galassie e studiando in dettaglio la radiazione cosmica di fondo, gli astrofisici sono giunti alla conclusione che l’universo è nato 13,7 miliardi di anni fa. La temperatura iniziale è calata a mano a mano che l’universo si aspandeva fino a scendere a “soli” 3000 gradi dopo 380 mila anni, quando l’universo era composto solo dagli elementi più semplici: per il 95% idrogeno (un protone e un elettrone) e per il 5% elio (un nucleo fatto di due protoni e due neutroni cui si aggiungono due elettroni) e stelle e galassie ancora non esistevano.

Andando a ritroso nel tempo da quei 380 mila anni – ultimo istante noto grazie alla mappa della radiazione cosmica ripresa dal satellite Wmap – all’aumentare della temperatura le collisioni tra gli atomi diventano tanto violente da strappare tutti gli elettroni ai nuclei. Alla temperatura di 10-7  GeV (un milione di gradi) il gas neutro è diventato così un plasma fatto di particelle libere elettricamente cariche e, perciò, opaco alla luce. Quando la tempetura si avvicina a un GeV – la temperatura del cosmo all’età di un microsecondo – particelle e antiparticelle della zuppa cosmica si urtano con tanta energia che protoni e neutroni liberano i loro componenti: gluoni e quark leggeri. E così via fino all’osservazione della comparsa di leptoni e quark pesanti, quindi fotoni e astenoni.

È grazie a queste osservazioni che i fisici hanno spiegato la velocità con cui le stelle ruotano intorno al centro della galassia con la supposizione che le galassie siano fatte di una “materia oscura” oltre che della “materia visibile” di stelle, polveri e gas interstellari che osserviamo con i telescopi. Se le galassie fossero fatte della sola “materia visibile” le stelle partirebbero per la tangente come palline posate su una giostra che gira, ma siccome ciò non accade gli scienziati concludono che la massa della galassia è circa sei volte maggiore della massa visibile. Nei modelli che oggi vanno per la maggiore la “materia oscura” è costituita di neutralini, le superparticelle teoriche più leggere di tutte.

“Materia visibile” e “materia oscura” non esauriscono però tutta l’energia dell’universo.  Se si considera un metro cubo di universo, dicono i fisici teorici, la “materia oscura” ne rappresenta il 24% e quella visibile il 4%. E tutto il resto? La risposta più accreditata oggi è che il restante 72% sia  una “energia oscura repulsiva”  che da 4/5 miliardi di anni spinge le galassie ad allontanarsi una dall’altra sempre più rapidamente. Ma qui gli esperti non sono d’accordo. La scoperta del bosone di Higgs, insomma, non è che un passo infinitesimale sulla strada della conoscenza. Siamo ancora lontani anni luce, per dirla con una battuta che non ha nulla di scientifico, dallo svelare i misteri della vita, dell’universo e della natura più o meno divina di tutto questo.

MASSIMO PEDRETTI lavora nell’ufficio dei capiredattori centrali del quotidiano ‘Il Messaggero’. Oltre a seguire l’organizzazione del giornale si occupa di temi legati all’ambiente, quali energie rinnovabili, rifiuti, alimentazione. Ha tenuto per tre anni un laboratorio di comunicazione giornalistica al corso di laurea in Discipline della Comunicazione alla facoltà di Lettere e Filosofia dell’Università di Bologna.

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