Raccogliere particelle

La fisica del modello standard al CERN di Ginevra

Il verbo raccogliere, che di per sé descrive innanzitutto “l’atto di prendere qualcosa da terra”, in senso traslato acquista l’accezione di “cogliere i frutti della terra”. Entrambe queste sfumature, in un certo qual modo, sono compresenti nell’esperimento del Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra: gli scienziati impegnati in questo esperimento si ritrovano infatti a raccogliere dal sottosuolo (dove avvengono gli esperimenti) i costituenti fondamentali della Natura.

LHC è il maggiore e più potente acceleratore di particelle al mondo. Entrato in funzione nel 2008, si tratta di un anello di 27 chilometri di circonferenza che si estende a 100 metri di profondità, al confine fra Francia e Svizzera. Si compone principalmente di magneti superconduttori (cioè con grande efficienza di conduttività elettrica) in grado di aumentare l’energia delle particelle iniettate al suo interno. Tali particelle vengono accelerate fino a velocità prossime a quelle della luce, muovendosi in fasci separati; al momento opportuno i fasci vengono fatti collidere. Come nella vita di tutti i giorni, certi incontri possono cambiarci per sempre e succede la stessa cosa per le particelle.

Fig. 1. Mappa del complesso di acceleratori del CERN

Si va quindi a verificare l’aderenza o meno a certe ipotesi a partire dall’analisi dei prodotti di collisione, ovvero ciò che si rivela dopo l’urto, in termini di masse ed energia risultanti (che Einstein ci insegna essere concetti non poi così scollegati).

La costruzione di acceleratori ad alte energie del calibro di LHC è possibile solo quando supportata da grandi collaborazioni internazionali. È questo proprio il caso del CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire), centro di ricerca d’avanguardia che si costituì nel secondo dopoguerra come direttivo scientifico europeo volto a colmare il divario che si era venuto a formare rispetto agli istituti americani. Non è tuttavia solo la ricerca scientifica a costituire il cuore del CERN; in ambienti come questo, dove oltre 150 nazionalità si ritrovano a collaborare fianco a fianco, le condizioni divengono perfette per costruire veri e propri laboratori di pace (la Pace, guarda caso, è l’esagramma di sviluppo di questo numero della Tigre di Carta). Ben evidenziò in occasione del trentesimo anniversario del Cern (1984) il fisico statunitense Isidor Isaac Rabi:

[Gli scienziati al CERN] rappresentano il risultato di secoli di ricerca e di studio per mostrare il potere dello spirito umano, quindi mi appello a loro affinché non si considerino tecnici, ma guardiani di questa fiamma dell’unità europea, così che l’Europa possa salvaguardare la pace nel mondo.

Pare sorprendente fino a che punto questa considerazione possa sembrare estremamente attuale come monito non tanto ai fisici, quanto alle istituzioni nazionali e europee.

Nei prossimi paragrafi, chiarirò quali sono i compiti che Rabi considera da “tecnici”, cioè cosa si propone di studiare questa branca della fisica. In prima battuta, possiamo paragonare il fisico delle particelle al chimico Dmitrij Ivanovic Mendeleev, padre della Tavola periodica degli elementi: facendo ordine fra osservazioni sperimentali e previsioni teoriche, ricostruisce un quadro che sia in grado di descrivere la fenomenologia dei fondamenti della materia. In questa direzione, è stato fatto molto negli anni Settanta, quando si giunse a una descrizione della struttura della materia tramite un elegante sistema di equazioni noto come Standard Model (SM). Questa “tavola periodica” della fisica delle particelle riassume tutto ciò che costituisce l’Universo[1] in dodici particelle fondamentali divise in due famiglie (quark e leptoni), oltre a quattro forze tramite cui queste particelle interagiscono. Le forze sono in realtà a loro volta delle particelle chiamate bosoni intermedi, vale a dire particelle mediatrici emesse e riassorbite dalle particelle interagenti, e che trasportano le informazioni dell’interazione.

Fig. 2. L’esperimento ATLAS del CERN

Quali sono le “forze di interazione”? La più comune nella nostra esperienza quotidiana è l’interazione elettromagnetica, la cui manifestazione più esemplare è la luce; vien da sé quindi che il bosone intermedio che funge da mediatore dell’interazione è il fotone. Un’altra forza fondamentale è quella che impedisce che la repulsione elettromagnetica tra i protoni provochi la disintegrazione dei nuclei atomici: l’interazione forte (questo il suo nome) non riguarda in realtà direttamente neutroni e protoni, bensì particelle che a loro volta li compongono (i quark) che rimangono “incollati” tra di loro grazie all’interazione con i gluoni, le particelle mediatrici di questa forza. L’interazione debole, invece, non si manifesta tanto nella coesione della materia quanto nella sua trasformazione, in particolare quando avvengono reazioni nucleari come i decadimenti beta. In questi processi esistono ben due tipi di particelle mediatrici di questa forza: il bosone W (nelle forme di W+ e W-) e il bosone Z. La gravità è, da ultimo, la meno intensa fra le quattro interazioni fondamentali: 10-40 volte la forza forte. La particella intermediaria della gravità (il gravitone) rimane tuttora un’ipotesi, la cui verifica consentirebbe di completare la teoria delle interazioni fondamentali così come descritta dallo SM.

Fig. 3. Il Modello Standard delle particelle elementari

La completezza del quadro delle interazioni fondamentali è da sempre l’obiettivo di questo ambito di ricerca. Iniziò questo cammino James Clerk Maxwell quando nell’Ottocento unificò fenomeni elettrici e magnetici nella descrizione unificata dell’elettromagnetismo. Si continuò negli anni Settanta del Novecento, quando si realizzò elettricità, magnetismo, luce e alcune tipologie di radioattività non erano altro che manifestazioni di un’unica forza sottostante, la forza elettrodebole: un’intuizione che di fatto spalancò le porte allo SM così come lo conosciamo oggi. È tuttavia proprio in questo passaggio che si notò come la teoria prevedesse che le particelle intermediarie fossero prive di massa, in contrasto rispetto ai risultati sperimentali (se non per il fotone). È su questo nervo scoperto del modello che si andò ad inserire la teoria di Brout, Englert e Higgs, che proponevano un meccanismo in grado di fornire massa ai bosoni W e Z: il “campo di Higgs”. Come in un campo innevato più procediamo e più affondiamo nella neve, le particelle che interagiscono con il campo di Higgs acquisiscono una massa. L’intermediario di questa interazione ha un nome: il bosone di Higgs. Non ha bisogno di presentazioni; questa star della fisica delle particelle è rimasta a lungo elusiva, fino all’annuncio dello scorso 4 luglio 2012 in cui i due principali esperimenti di LHC (ATLAS e CMS) annunciarono un’osservazione sospetta ma che sembrava dare indicazione per la sua “raccolta”: un annuncio che credo tutti ricorderemo negli anni a venire… anche senza aver ben capito cosa mai fosse quella dannata particella.

Note

[1] Al fine di delimitare la megalomania di aspiranti fisici delle particelle è opportuno specificare che il Modello standard descrive solo il 4% dell’Universo conosciuto; il resto dell’Universo si compone di materia oscura e, soprattutto, energia oscura, che già dal nome lasciano intendere il numero di interrogativi che le riguarda.

di Amedeo Bellodi

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