Il bosone di Higgs

Di Nazzareno Luigi Todarello

Il bosone di Higgs spiega perché le cose esistono. Cioè spiega come da un universo di luce (il big-bang) si sia arrivato a un universo di cose. Ci sono voluti quasi cinquant’anni perché la scienza sperimentale arrivasse a dimostrare come vera la teoria formulata da Higgs. E si è trattato di un evento epocale. Questo libro, scritto da un appassionato curioso di fisica, ripercorre in breve e in modo chiaro quel lungo cammino.

 

• Lingua: Italiano
• Editore: latorre editore
• Data di uscita: 3 gen 2020
• ISBN: 9788835353393

Anteprima del libro

I. INFINITAMENTE GRANDE/ INFINITAMENTE PICCOLO

È difficile, difficilissimo, farsi un'idea delle dimensioni di ciò che è grandissimo e di ciò che è piccolissimo. La nostra fantasia, la capacità di immaginare, è legata all'esperienza, cioè alle esperienze della nostra vita. Ciò che non vediamo direttamente ci sfugge. O meglio, riusciamo a immaginare ciò che non vediamo, certo, ma se le sue caratteristiche non lo distanziano eccessivamente dalle cose che conosciamo per esperienza diretta. La nostra fantasia in realtà ha le gambe corte. Chi riesce a immaginare in un unico colpo d'occhio il percorso della propria automobile se supera la lunghezza di qualche decina di chilometri? Riusciamo solo se allarghiamo l'immagine sullo schermo del navigatore. Questo è un primo punto: ci sono oggi strumenti tecnologici che alimentano la fantasia e che aiutano la nostra immaginazione a muoversi in territori sconosciuti. Fino a un certo punto però. Se veniamo a sapere, per esempio, che in un bicchierino d'acqua, diciamo diciotto grammi, ci sono circa seicentomila miliardi di miliardi di molecole d'acqua, cioè un sei seguito da ventitre zeri, ci risulta assolutamente impossibile farci un'idea delle dimensioni della molecola d'acqua. Non riusciamo a immaginare una cosa tanto piccola. Siamo condizionati irrimediabilmente dalle nostre dimensioni. E dalle dimensioni delle cose che costituiscono il nostro mondo. Eppure la molecola d'acqua non è l'oggetto più piccolo che esiste. È formato da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. E a sua volta ogni atomo è formato da particelle molto più piccole: protoni, neutroni ed elettroni. E gli elettroni sono lontanissimi dal nucleo formato da protoni e neutroni. Tanto che si deve immaginare l'atomo come una cosa quasi del tutto vuota, con nucleo ed elettroni lontanissimi gli uni dagli altri. E ogni protone è costituito da quark, anche loro piccoli oltre la nostra possibilità di immaginazione. E qui, per ora, ci fermiamo. Per ora, perché non è escluso che in futuro nuovi mezzi tecnologici ci permettano di trovare particelle ancora più piccole. Per ora i quark sono l'estremo orizzonte dell'enormemente piccolo. Nel senso che qui arrivano le certezze. Poi ci sono solo ipotesi. Ipotesi che aspettano di essere provate per diventare verità scientifica. La teoria delle stringhe, per esempio, ideata a partire da una intuizione del fisico italiano Gabriele Veneziano, ipotizza che il tutto sia in realtà, nella sua ultima essenza, un insieme di minuscoli anelli vibranti e che le particelle che conosciamo siano ognuna manifestazione di un particolare insieme di vibrazioni. Bisogna dire che la traduzione italiana di strings theory dovrebbe più propriamente essere teoria delle corde, corde di violino, o di altro strumento a corde. Se si arrivasse davvero a individuare una stringa, a vederla e a misurarla, tutto l'universo ci apparirebbe come un immenso concerto, un'orchestra quasi senza fine in perenne vibrazione. Allora l'antica proposizione che proclamava l'armonia delle sfere troverebbe una inaspettata conferma. Vedremo. La fisica non è un mondo di cose fantastiche. La fantasia ha una gran parte nella intuizione di nuove teorie, ma poi ogni nuova teoria deve essere confermata per diventare vera cioè misurabile. Non c'è dubbio che la fantasia abbia giocato un ruolo decisivo nella mente di Einstein quando, mentre era un impiegato all'ufficio brevetti di Berna, immaginò la teoria della relatività. Formalizzò poi la sua intuizione in formule matematiche, ma la sua teoria divenne realtà quando gli esperimenti la confermarono con misurazioni certe, incontrovertibili. Ecco: la fisica si occupa di cose misurabili. (E infatti, devo dirlo, il titolo di questo capitolo, con quell'avverbio infinitamente ripetuto due volte, è poco fisico). E col tempo ha imparato a misurare le cose incredibilmente piccole. Così come ha imparato a misurare le cose incredibilmente grandi. Questo è l'altro aspetto della fisica moderna che lascia stupefatta e impotente la nostra fantasia. Possiamo immaginare qualcosa che corre a trecentomila chilometri al secondo? E possiamo immaginare la distanza che quella cosa copre in un'ora, in un anno? Altro che il percorso della nostra auto sullo schermo del navigatore! Eppure la nostra casa, la Terra, dista dal buco nero che sta al centro della galassia della quale fa parte ventiseimila anni luce. La luce corre. Per noi corre in modo stupefacente. Ma nelle immensità dello spazio sembra muoversi come una lumaca. Pur restando all'interno della nostra galassia per andare da un posto all'altro ci mette anni, migliaia di anni.

Figura 1

Un cubetto di ghiaccio di 2,7 centimetri di lato pesa circa 18 grammi. Consiste in una struttura reticolare che contiene poco più di seicentomila miliardi di miliardi di molecole d’acqua, H2O. Ciascun atomo di ossigeno contiene otto protoni e otto neutroni, mentre ciascun atomo di idrogeno contiene un solo protone. Il cubetto di ghiaccio contiene quindi circa 10,8 milioni di miliardi di miliardi di protoni e neutroni. (da Jim Baggott, Il bosone di Higgs, 2013).

Ora noi ci troviamo qui, tra l'immensamente piccolo e l'immensamente grande. Viene quasi da pensare che noi siamo nel giusto mezzo. Forse è così. O forse no. Ancora non lo sappiamo. Sappiamo però che l'immensamente piccolo e l'immensamente grande sono in relazione. Non solo perché, ovviamente, l'immensamente grande è formato da un numero immenso di cose immensamente piccole. Ma anche, e soprattutto, perché studiando l'immensamente piccolo si possono capire fenomeni dell'immensamente grande. Con l'acceleratore di particelle del CERN infatti si indaga sulle origini dell'universo. Nel tunnel di ventisette chilometri si accelerano protoni fino a una velocità prossima a quella della luce. Da una parte e dall'altra in modo che a un certo punto si scontrino generando qualcosa di molto simile al Big Bang. I protoni, scontrandosi, vanno in pezzi. Si scatena un piccolo inferno di calore. Nascono particelle. Si fotografano le neonate, si studiano a lungo. Si hanno conferme e, spesso, sorprese.

Figura 2

Il CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire), è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle. Si trova al confine tra Svizzera e Francia, alla periferia ovest della città di Ginevra. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri. Oggi conta 2400 impiegati, visiting scientists, collabora con 608 università e 113 paesi di tutto il mondo. Nella fotografia aerea si vede l'anello dell'LHC (Large Hadron Collider). In realtà il tunnel è a cento metri sottoterra.

Figura 3

Il tunnel dell'LHC. Quando è acceso, nel tubo corrono i protoni a una velocità vicina a quella della luce. Enormi magneti raffreddati con elio liquido guidano i protoni all'interno del tubo. Magneti che sono il posto più freddo dell'universo perché a una temperatura inferiore ai 3 gradi Kelvin, la temperatura dello spazio siderale. Hadron, adrone in italiano, è ogni particella composta di tre quark.

Figura 4

Quando gli adroni collidono si sprigiona una enorme energia e nascono innumerevoli particelle dalla brevissima vita. I rilevatori di particelle li fotografano al ritmo di milioni di scatti al secondo.

II. L'INDIVISIBILE

Tutto è iniziato molto tempo fa. Esattamente duemila e cinquecento anni fa. Quando i filosofi greci si posero domande che ancora oggi ci poniamo. Principalmente: di cosa è fatto il mondo? E come è fatto? Forse prima di loro nessuno si faceva queste domande? No di certo. Tutti, da tempo, si facevano domande simili. Ma la differenza è che i filosofi greci sono i primi a cercare le risposte tramite il ragionamento e non affidandosi alla fantasia. È la nascita, appunto, della filosofia, il pensiero razionale. La filosofia prende il posto del mito, cioè del racconto fantastico delle origini del mondo. Attenzione, però, non dobbiamo essere troppo severi con il mito. Rischiamo di considerare i nostri antenati degli sprovveduti. E non era così. I miti svolgevano perfettamente la loro funzione. Davano una risposta convincente alla paura dell'ignoto, al desiderio di conoscere. E servivano soprattutto a tenere insieme gli esseri umani appartenenti allo stesso gruppo sociale. Intorno al fuoco, di sera, i racconti degli anziani riempivano le menti di meraviglia e consolidavano il senso di appartenenza. Ma le cose sono cambiate in fretta nella Grecia classica. Le città hanno preso il sopravvento sulle campagne. I cittadini si sono fatti smaliziati. Commerciano, conoscono altri popoli, altri miti. Hanno bisogno di altre verità. I miti perdono forza. La loro funzione storica è esaurita. Ora il ragionamento organizzato, concreto, logico risponde al nuovo tipo di uomo, alle sue domande. Le domande stesse sono poste in modo diverso. I pre-socratici si pongono il problema delle origini del cosmo e si danno risposte che, pur rivestite ancora di poesia misteriosa, sanno già di nuovo. Socrate, di Atene, indaga i meccanismi logici della conoscenza, smascherando ogni certezza basata sul nulla e ogni supponenza. Platone, allievo di Socrate, organizza lo spazio logico dell'Occidente, ponendo in modo chiaro i problemi essenziali. Prepara insomma il campo da gioco sul quale la ragione umana dell'Occidente giocherà le sue partite. Aristotele, allievo di Platone, osserva, ragiona, cataloga, spiega. Avvolge il tutto in una ragnatela di ragionamenti di qualità eccelsa. Le sue osservazioni sono spesso fulminanti: Quanto più una cosa è vicina alla sua essenza, tanto più è vicina alla verità. Possiamo dire che la fisica contemporanea fa proprio questo: entra a fondo nelle cose per conoscerne la realtà ultima, l'essenza. Aristotele dà una risposta logica a ogni domanda.

Ma il filosofo che ci interessa maggiormente ora è Democrito, del quale non abbiamo nessuno scritto. Conosciamo i titoli dei suoi libri, una cinquantina, ma i testi sono andati perduti per sempre. Forse sono stati i primi cristiani a distruggerli. Non lo sappiamo, ma è possibile. I primi cristiani erano settari e fanatici come i talebani dei giorni nostri. È possibile, probabile, che abbiano distrutto i libri del filosofo che negava l'eternità dell'anima. Sappiamo, di Democrito, quello che altri autori ci raccontano di lui e del suo pensiero. Democrito è il grande teorico dell'atomismo. È cioè colui che ha ipotizzato per primo