Luciano Maiani Il bosone bifronte

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Francois Englert e Peter Higgs

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Il Sole 24 Ore domenica 13 ottobre 2013

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 Il bosone bifronte

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Il Nobel a Higgs e Englert. Come Giano ha una faccia rivolta al passato (conclude la Teoria Standard), e l’altra al futuro: è l’inizio di una nuova fisica

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Luciano Maiani 

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Dunque è ufficiale. L‘Accademia Svedese delle Scienze ha chiuso con il Nobel la vicenda Iniziata con due articoli indipendenti apparsi a breve distanza nel 1964 e firmati da Robert Brout (scomparso nel 2011) e Francois Englert, il primo, e da Peter Higgs. il secondo. Sul meccanismo e sulla particella ipotizzata da Englert, Brout e Higgs molto è stato scritto negli ultimi anni, a partire dalla improvvida ma fascinosa definizione di “particella di Dio”, e dalla sua ricerca alle macchine acceleratrici più potenti nel mondo, fino ad arrivare al Grande Collisore adronico del Cern con cui la particella è stata identificata dalle collaborazioni Atlas e Cms. Vale la pena, oggi, ripercorrere le tappe significative di questa storia e tentare un bilancio di dove siamo arrivati e delle sfide che stanno ancora davanti a noi. Al tempo della loro pubblicazione, gli articoli in questione passarono quasi inosservati perla maggioranza dei fisici teorici. Ma rimisero in moto una ricerca che sembrava ormai arenata, quella di inquadrare in un unico schema teorico due delle forze fondamentali della Natura. Si trattava delle forze elettromagnetiche, che regolano il funzionamento degli atomi, della chimica e della luce, e delle forze deboli, identificate da Enrico Fermi trenta anni prima, quali responsabili della radioattività beta dei nuclei atomici e di alcune particelle subnucleari. Le forze elettro-magnetiche e le forze deboli hanno, in effetti, molti punti di contatto, messi in luce, nel tempo, dai risultati di fisici teorici di grande spicco, a partire dallo stesso Fermi per continuare con Bruno Pontecorvo, con i fisici statunitensi Richard Feynman e Murray Gell-Mann e con l’italiano Nicola Cabibbo. Queste due forze, per così dire, parlano lo stesso linguaggio essendo trasmesse da particelle della stessa natura (in gergo, particelle di spin uno) e tuttavia sono divise da una barriera che sembrava allora impenetrabile. Il fotone, la particella ipotizzata da Albert Einstein quale costituente della luce e mediatore delle forze elettromagnetiche, è privo di massa, mentre l’allora ipotetico mediatore delle forze di Fermi, il bosone intermedio W, deve avere una massa non nulla, anzi molto maggiore della massa del protone. Una teoria concreta di unificazione era stata avanzata, nel 1961, da Sheldon Glashow. La difficoltà dovuta alla diversità delle masse era pragmaticamente ignorata. Ma il lavoro di Glashow segnava, comunque, un progresso importante. In esso, si identificava la simmetria alla base dell’unificazione e si delineavano con precisione due nuovi fenomeni che avrebbero dovuto segnalare l’unificazione delle forze: l’esistenza di un altro mediatore pesante elettricamente neutro, denominato Zo, e le conseguenti nuove interazioni dei neutrini con la materia, mai ancora osservate. Invece dei neutrini, Brout, Englert e Higgs seguivano un filo conduttore che proveniva dalla fisica della superconduttività, la conduzione di correnti senza resistenza che si presenta in certi metalli a bassissima temperatura. All’interno di questi metalli, come aveva mostrato Phil Anderson nel 1962, la simmetria dell’elettromagnetismo perde di validità e allo stesso tempo le linee di forza del campo elettrico vengono espulse dal metallo, “come se” il fotone acquistasse una massa non più evanescente. Non poteva darsi che la violazione della simmetria associata a W e Z, ma non al fotone, perdesse per qualche motivo la sua validità e che queste particelle, ma non il fotone, acquistassero una massa di conseguenza? I lavori di Brout, Englert e Higgs, modellati su un esempio semplificato ma significativo, mostravano che questo poteva avvenire, purché la simmetria fosse violata da un campo con un valore costante in tutto lo spazio. C’era, inoltre, un codicillo. Le increspature del campo generate nelle collisioni di alta energia si sarebbero dissipate sotto forma di particelle di un nuovo tipo, particelle prive di un momento angolare intrinseco (con spin zero, in gergo) e con una massa non determinata dalla teoria. Non era chiaro, all’inizio, che il funzionamento del meccanismo non fosse invalidato da qualche sottigliezza nascosta nelle pieghe della teoria quantistica dei campi. Le conclusioni degli autori hanno retto nel tempo agli assalti teorici più sofisticati.

Sheldon Glashow with Abdus Salam and Steven Weinberg

Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg ricevono il Premio Nobel per la Fisica nel 1979

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Tre anni dopo, nel 1967, Steven Weinberg, negli Stati Uniti, e Abdus Salam in Europa mettevano in formule uno schema di unificazione delle forze deboli ed elettromagnetiche basato sulla simmetria introdotta da Glashow nel 1961, con le masse di W e Z generate con il meccanismo di Brout, Englert e Higgs e con il fotone a massa nulla in quanto associato all’unica simmetria non disturbata dal campo nel vuoto. Il modello prevedeva gli stessi fenomeni indicati da Glashow, per quanto riguardava neutrini e Z, ma in aggiunta includeva l’esistenza di una particella elettricamente neutra e di spin zero, che Weinberg battezzò, andando per le spiccie, col nome di “bosone di Higgs” (mi permetterò di usare anch’io questa semplificazione nel seguito). C’erano ancora dei problemi. La teoria, infatti, si poteva applicare solo alle particelle senza interazioni forti, cioè all’elettrone e al neutrino. Con i tre quark introdotti da Gell-Mann per descrivere le particelle nucleari, i nuovi processi mediati dallo Z sarebbero stati infatti in diretta contraddizione con i dati sperimentali. Nel 1970, con Glashow e John Iliopoulos, mostravamo che, per superare questa difficoltà, era necessario ipotizzare un quarto quark, il quark charm. Fu proprio in quella occasione che venni a conoscenza del lavoro di Higgs e di quelli successivi di Weinberg e Salam: noi ci eravamo basati sul lavoro di Glashow del ’61, che soffriva dello stesso problema. Questo ritardo può sembrare strano, ma a quel tempo l’unificazione delle forze non era considerato un argomento caldo e i gruppi che ci lavoravano erano sparsi e con scarse comunicazioni. Negli anni successivi, una serie di sviluppi eclatanti, teorici e sperimentali, indicarono che si era presa la strada giusta. La dimostrazione che la teoria di Weinberg e Salam è consistente dal punto di vista matematico (G. ’t-Hooft e M. Veltman, 1972), l’osservazione al Cern dei nuovi processi di neutrini mediati da Z (1973), l’osservazione del quark charm (1974) e di un’altra generazione di quark e leptoni, fino all’osservazione dei bosoni intermedi W e Z con il collisore protone-antiprotone, realizzato al Cern da Carlo Rubbia e Simon Van der Meer (1982). Con W e Z, il Cern metteva a segno una scoperta formidabile e prendeva la leadership mondiale nella fisica delle particelle. In quella occasione, il «New York Times» titolava: «Europa tre. Stati Uniti neanche Z-zero». Da allora in poi, la caccia accanita al bosone di Higgs, conclusa, come si è detto, solo l’anno scorso. Nell’anno appena trascorso, con la macchina LHC ferma per il suo potenziamento, le collaborazione sperimentali hanno raffinato l’analisi dei dati raccolti. La somiglianza della particella scoperta con quanto previsto per il bosone di Higgs si è accentuata.

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Rubbia con van der Meer al CERN alla notizia della vittoria del Nobel

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Cosa resta da fare? Ci sono sfide a breve, medio e a lungo termine. Le prime riguardano la presenza, entro la portata di LHC, di particelle legate a nuove simmetrie. Prime fra tutte le particelle legate alla supersimmetria, una simmetria scoperta proprio al Cern da Julius Wess e Bruno Zumino nel 1971. La particella vista al Cern, con una massa pari a 125, in unità della massa del protone, è relativamente leggera. È una buona notizia per la supersimmetria che prevede una massa inferiore ai 35. Meno buona per i modelli alternativi, che avrebbero preferito una massa tra 600 e 800 masse del protone. Le teorie con supersimmetria prevedono un intero mondo di nuove particelle da scoprire. Con l’energia di LHC non si può realisticamente pensare che si possano vedere tutte. Ma con un po’ di buona fortuna potremmo vedere almeno la coda del dinosauro, lasciando il resto alle macchine del futuro. I progettisti delle super-macchine stanno già scaldando i muscoli. L’evidenza per l’esistenza nell’Universo di particelle neutre relativamente stabili, la “materia oscura”, si è rinforzata con le misure raccolte dal satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea. La particella della materia oscura potrebbe coincidere con la particella super-simmetrica più leggera, e si potrebbe incontrare tra i frammenti di decadimento del bosone di Higgs, da studiare ancora con la precisione necessaria, oppure nella coda del dinosauro rappresentato dal grosso delle particelle supersimmetriche.

A più lungo termine, restano le domande difficili. Qual è il ruolo cosmologico del campo di Higgs? Quale la sua relazione con la curvatura dell’universo o con la cosiddetta “energia oscura”, uscita alla ribalta negli ultimi decenni? Ci sono altri Universi in cui il campo di Higgs o le sue estensioni danno valori diversi alle masse delle particelle? ll bosone di Higgs ci appare sempre più come un Giano bifronte: una faccia volta al passato, la conclusione della Teoria Standard, e l’altra al futuro, il precursore della fisica del futuro.

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Luciano Maiani è uno dei protagonisti della costruzione dell’Lhc e ne ha raccontato la storia, in collaborazione con Romeo Bossoli, nel volume A caccia del bosone di Higgs. Magneti, governi, scienziati e particelle nell’impresa scientifica del secolo, uscito da poco nella collana Scienza e filosofia diretta dal responsabile del Sole-24 Ore Domenica, Armando Massarenti, per Mondadori Università

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