Lo zen del bosone di Higgs

Guido Cossu

• Publisher: Go Ware
• Year: 2012
• eBook ISBN: 9788897324515
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Nuclear Physics

Dai monaci zen ai coloratissimi quarks, passando per immense macchine atte allo studio dell'infinitamente piccolo, in questo single e-book Guido Cossu, ricercatore del KEK a Tsukuba in Giappone, ripercorre la recente storia della fisica per spiegare cosa c'è dietro all'eccitazione di un'intera comunità scientifica per la scoperta del bosone di Higgs. Entriamo nel teatro nel quale questa particella recita, cercando di fornire una descrizione accurata della storia scientifica che ha portato alla necessità teorica dell'esistenza della particella e alla difficoltà sperimentale per scovarla. La caccia al bosone di Higgs ci porterà infatti attraverso un castello teorico dall'architettura molto ardita: il Modello Standard. Non facciamoci intimorire dal nome così altisonante, la sua eleganza e semplicità formale ci sorprenderà, come quella di un giardino Zen. Una lettura non solo per gli addetti ai lavori, ma per chi possiede spirito investigativo e per tutti coloro che sono animati da curiosità sulla natura e su tutte quelle particelle che ci attraversano ogni giorno.
Buona caccia grossa al bosone di Higgs!

Il Modello Standard

Come raccontare la storia di un’importante scoperta scientifica? Compito non facile, specie nel caso di una particella come il bosone di Higgs. La fisica delle particelle è un campo molto vasto, le regole fondamentali del gioco sono poche e la più importante è la simmetria.

Ma volgiamo brevemente il nostro sguardo verso un tempio nelle silenti montagne giapponesi, dove gesti antichi possono essere illuminanti.

Dialogo con un monaco zen

Seduto e avvolto dal silenzio osservo un monaco mentre traccia delle linee sulla sabbia del suo giardino. È il periodo della primavera giapponese e l’aria è punteggiata dai petali bianchi dei ciliegi, tutti sbocciati all’unisono. I gesti dell’uomo sono precisi ed eleganti, dettati da una lunga esperienza.

Lunghi tratti, cerchi e curve. Da vicino difficilmente se ne comprende il senso, ma dalla mia posizione s’intuisce il disegno dietro ogni movimento.

I petali, il silenzio, i tratti decisi. Avverto un ordine nell’ambiente che mi circonda.

Il monaco ha terminato. È soddisfatto. Si avvicina con passo tranquillo, forse vuole capire perché io sia così interessato. Rivolgendosi verso di me, con un ampio movimento del braccio, indica la sabbia che prima aveva accuratamente tracciato. Con un piccolo e impercettibile segno della testa mi chiede se è quello il motivo della mia ammirazione. Rispondo con un altro cenno. Un discorso fatto di silenzi.

Si siede accanto, vorrebbe porre delle domande, esita, e rimane anche lui in osservazione del proprio lavoro.

– Ogni segno è in rapporto con quello vicino e rappresenta l’armonia del mondo naturale, – sono le poche parole che mi dice.

Sorrido perché nella mia mente è un concetto che, in altri termini, mi è molto familiare; forse è proprio per questo che mi attrae tanto.

Trovare relazioni e collegamenti tra le cose che osserviamo in natura è il lavoro di ogni fisico. Cercare di ordinarli e trovare uno schema comune è il secondo passo.

In fondo quel giardino e quei gesti non sono poi così lontani dal mio mondo, penso.

Dopo alcuni minuti di contemplazione il monaco si alza e si accomiata con gentilezza, rimangono solo il giardino e i petali di ciliegio che cadono lentamente.

Simmetrie

Come per il giardino zen, guardare da lontano aiuta a capire meglio le relazioni tra le cose, così in fisica cercare di trovare uno schema generale che spieghi tante osservazioni è il motore del nostro lavoro. Specialmente nella fisica delle particelle.

Sin dalla scoperta dell’elettrone, con gli anni i fisici sperimentali hanno individuato nuove particelle ed ognuna di queste ha richiesto uno sforzo dei teorici per poter essere inquadrata in uno schema più generale possibile.

Talvolta è avvenuto il contrario: i teorici prevedevano che dovesse esistere una particella ancora non osservata e dopo qualche anno gli esperimenti erano in grado di confermare quest’attesa. Ci sono stati numerosissimi esempi, ne vedremo alcuni, e uno di questi è proprio il bosone di Higgs.

In fisica delle particelle, i teorici hanno imparato negli anni Sessanta e Settanta che esisteva uno schema comune a tutte le osservazioni sperimentali. Questo schema sono le simmetrie della teoria.

Come una palla perfettamente sferica ci appare sempre identica a se stessa se la ruotiamo in qualunque verso, così i fisici teorici hanno capito che per spiegare le osservazioni era necessario che le equazioni fossero simmetriche: sempre identiche a se stesse se venivano “ruotate” da certe classi di trasformazioni1.

Il primo esempio di immutabilità delle leggi della fisica ce lo ha fornito Galileo nel suo Dialogo tra Salviati e Simplicio2, facendoci notare che sia che stiamo a terra che su una nave (un gran navillo) in movimento, un sasso lasciato cadere precipita sempre in verticale3, per fare uno dei tanti esempi. O, per un secchiello che perde acqua dal fondo, le gocce cadranno sempre nel secchio che gli abbiamo messo giusto sotto. Le leggi della dinamica non dipendono dal fatto che siamo o no sulla nave4. D’altronde anche la Terra è un oggetto in moto a velocità folle nello spazio e se tiro un pallone da basket per fare canestro mi aspetto che la traiettoria sia una bella parabola... e che possibilmente vada a segno, però questo non dipende dal moto della Terra ma dal mio lancio.

Le trasformazioni di cui parliamo in questo caso sono il passaggio dal sistema a terra a quello sulla nave, o l’oggetto in moto. E le leggi non cambiano perché questo ci dicono semplici esperimenti.

Questa è, sommariamente, la relatività galileiana, ed Einstein ci insegna che va molto bene finché la nostra nave non è una navicella spaziale che si muove a velocità vicine a quella della luce (cioè circa trecentomila chilometri al secondo, il limite massimo postulato dalla relatività). A queste velocità le leggi della fisica sono sempre invarianti ma rispetto a trasformazioni più complesse (delle quali quelle galileane sono un caso particolare).

In sostanza: per descrivere le leggi della fisica, il fatto che noi siamo fermi o in moto a velocità costante è irrilevante e tutte le leggi matematiche devono riflettere questa importante proprietà, sperimentalmente verificata.

In fisica questo concetto è detto invarianza o simmetria rispetto a certe classi di trasformazioni e, come già ricordato, è un elemento fondamentale nella fisica moderna. Le trasformazioni possibili sono innumerevoli. Oltre all’invarianza galileiana, possiamo avere invarianza per rotazioni o riflessioni, o trasformazioni molto più complesse che richiedono avanzate nozioni matematiche.

Il Modello Standard (MS), che finora spiega in maniera stupefacente le interazioni tra centinaia di particelle, è esattamente una teoria che rispetta particolari simmetrie matematiche. D’altronde già Galileo diceva che il linguaggio del mondo è fatto di cerchi e quadrati, la matematica insomma. Il Modello Standard ne è un ottimo esempio.

Ma il bosone di Higgs che c’entra in tutto ciò?

Ci arriviamo presto, per il momento immaginiamo il bosone di Higgs come uno squarcio nel giardino del monaco che ne rompe la bellissima simmetria.

Gli inizi

Prima di spiegare l’importanza del bosone di Higgs, e il perché dell’eccitazione di un’intera comunità di fisici, è necessario introdurre il teatro nel quale questa particella recita, per fornire una descrizione accurata di quello che osserviamo negli esperimenti: il Modello Standard.

Il nome potrà suonare piuttosto altisonante ma dati i successi negli anni, se lo merita tutto. È la teoria fisica che ha descritto un numero interminabile di fatti e con una precisione ancora insuperata: finora sembra praticamente infallibile. Sembra proprio la lingua corretta per raccontare tutte quelle particelle che vengono prodotte ogni giorno nei laboratori. È comunque ancora un modello e sono numerosi gli indizi che inducono a pensare che non sia la fine della storia, come vedremo più avanti.

Il Modello Standard è un castello dall’architettura molto ardita e pieno zeppo di stanze da esplorare. Prima di arrivare in cima e godere del paesaggio dovremo curiosare qua e là per trovare la strada giusta. Cominciamo dalle fondamenta e facciamo un salto indietro pensando agli eventi che possiamo sperimentare ogni giorno. Partire da lontano sarà molto utile.

La forza di gravità ci è estremamente familiare, tanto che la diamo per scontata. È debolissima ma i suoi effetti si propagano fino a distanze infinite. Detta la dinamica di intere galassie, stelle, sistemi planetari, e anche di una mela ch...

Table of contents

• Copertina
• Frontespizio
• Colophon
• Il Modello Standard
• Il Large Hadron Collider: il cacciatore
• Tavole, grafici e illustrazioni