Il mondo dopo Higgs: una nuova era della fisica?

La massa è un concetto facile da comprendere. Spesso, erroneamente, la associamo al peso. Ma gli astronauti che sono scesi sulla Luna conoscono bene la differenza: sulla Luna pesavano sei volte meno di quanto misuravano le bilance sulla Terra. È la diversa forza di gravità a fare la differenza; ma la massa, quella resta sempre la stessa. Sappiamo che un essere umano ha molta più massa di una cane ed enormemente meno di un pianeta, e che un pianeta ha una massa enormemente inferiore a una stella. Sappiamo inoltre che gli atomi hanno una massa ridottissima, e così i loro costituenti: gli elettroni e i quark, che compongono i neutroni e i protoni. La nostra massa deriva dalla somma di quella dei quark e degli elettroni, ma perché le particelle elementari hanno un valore di massa e non un altro? Questi numeri, da dove vengono? Sembra una domanda oziosa, ma a molti fisici ha fatto trascorrere notti insonni, finché un giorno, negli anni ’60, un mite fisico teorico scozzese, Peter Higgs, non ebbe un’idea: tutte le particelle elementari, in origine, avevano massa zero. Poi, entrando in contatto con un campo scalare, immodestamente battezzato “campo di Higgs”, queste particelle avrebbero acquisito massa diversa da zero. Tanto più in profondità sarebbero entrate in contatto con questo campo, tanta più massa avrebbero acquisito, un po’ come una ciliegia intinta nel cioccolato.

Sembrava una buona idea, tanto più che riusciva a mettere ordine in una teoria chiamata Modello Standard. Una teoria che riusciva a spiegare in modo elegante tre delle quattro forze fondamentali dell’universo: quella elettromagnetica, quella nucleare debole e quella nucleare forte. Le tre forze “quantistiche”, perché a diffondere i loro effetti sono delle particelle, i quanti, o “bosoni”, che veicolano energia. Anche il campo di Higgs è costituito da quanti, o bosoni, detti “bosoni di Higgs”. Bosoni estremamente massicci, oltre cento volte la massa dei protoni, pertanto difficilmente individuabili, a meno di non portare l’universo a livelli di energia simili a quelli dei primi istanti dopo il Big Bang. Qualcosa che è possibile fare all’interno del cunicolo circolare di LHC, il più grande acceleratore di particelle del mondo. Qualcosa che è stato fatto.

L'applauso del CERN

Mercoledì 4 luglio al CERN di Ginevra un lungo applauso interrompe il discorso emozionato ma preciso da Joe Incandela, direttore dell’esperimento internazionale CMS che, insieme all’esperimento ATLAS, lavora sulla ricerca del bosone di Higgs. Incandela ha appena detto che quel nuovo bosone trovato a un’energia di circa 125 GeV, esattamente come prevedeva Peter Higgs e la teoria del Modello Standard, esiste con una certezza di 5 sigma. Il livello di deviazione statistica minima per poter annunciare una scoperta. Anche nel mondo ovattato della comunità scientifica, l’annuncio scatena un’enorme emozione. È la più grande scoperta scientifica degli ultimi decenni.

Ora inizia una nuova era della fisica. Il Modello Standard è definitivamente confermato, e siamo ormai vicini a una vera e propria “Teoria del Tutto”. Manca ancora qualcosa, per riuscirci: il Modello Standard uscito vincitore dalla prova del nove dimostra che tre delle quattro forze fondamentali sono spiegabili attraverso una sola teoria. Ma che dire della quarta, la forza di gravità? La gravitazione universale non vuole saperne di essere considerata una forza quantistica: per Einstein è una proprietà geometrica dello spazio-tempo, non un campo prodotto dallo scambio di bosoni. Certo, qualche fisico è convinto che esistano anche i bosoni della gravità, chiamati gravitoni, ma nessuno li ha visti e pochi pensano che esistano davvero.

Quindi, la ricerca è appena cominciata. LHC sta lavorando a una potenza pari a circa la metà del suo potenziale: l’anno prossimo sarà spento per poter riaccendersi nel 2014 alla massima potenza, e allora ne vedremo davvero delle belle. Se in appena due anni di duro lavoro, il grande acceleratore è riuscito a scoprire la particella inseguita per oltre quarant’anni, è difficile immaginare cosa potrà rivelare LHC in futuro. Secondo gli scienziati, si aprirà una nuova era della fisica. In molti sperano di trovare nuove particelle da tempo previste da una teoria tra le più amate ma tra le meno certe della fisica: la supersimmetria. Eppure, la scoperta del bosone di Higgs potrebbe mettere in seria crisi la teoria della supersimmetria e costringere i teorici a inventarsi qualcos’altro.

SUSY e gli altri misteri da svelare

La supersimmetria (SUSY, nel gergo dei fisici) prevede una simmetria totale tra le due grandi famiglie di particelle, i fermioni e i bosoni. I fermioni sono i mattoni della materia, ossia gli elettroni, i protoni, i neutroni (e i quark che li compongono); i bosoni sono invece le particelle che veicolano le quattro grandi forze della natura (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole, gravità). Secondo la teoria SUSY, ogni bosone possiede un fermione corrispondente. Sembra semplice, ma in realtà affinché la teoria regga sono state previste parecchie particelle che non esistono in natura e che solo gli acceleratori più potenti potrebbero osservare. E, detto per inciso, finora non sono state osservate. Ma se anche non trovassimo traccia delle superparticelle, LHC potrebbe scoprire qualche altra cosa piuttosto interessante. Per esempio, qualche altra particella pesante finora ignota che potrebbe costituire la materia oscura. O nuovi fenomeni della fisica che potrebbero spiegare cos’è l’energia oscura.

Alcuni cosmologi sperano anche che l’acceleratore del CERN possa fornire una prova empirica della teoria dell’inflazione. Come alcuni sapranno, l’inflazione è una fase che si suppone l’universo abbia attraversato nei suoi primissimi istanti di vita, aumentando di dimensioni in maniera spropositata in pochissimo tempo, violando solo apparentemente il limite della velocità della luce. Per gli scienziati, la teoria dell’inflazione serve a spiegare perché l’universo è uniforme su larga scala. La teoria si basa sull’esistenza di un campo e di un bosone, l’inflatone, molti simili al campo e al bosone di Higgs. Arrivare a spingere LHC ai primi istanti dell’inflazione è impossibile, ma alcuni fisici molto ottimisti sperano di riuscire a riprodurre le condizioni degli ultimi istanti dell’era inflazionaria (che, detto tra parentesi, è durata assai meno di un secondo…). Insomma, la “particella di Dio” non è la fine. È la fine di una lunga e appassionante ricerca durata oltre quarant’anni che ha dimostrato quanto raffinate siano le previsioni dei fisici teorici. Ma è anche l’inizio di una fase nuova e analogamente eccitante, che ci porterà a fare luce sui più grandi misteri dell’esistenza.