PrimaPagina edizione Luglio, 2012 n. 27
di Prof. Oscar Straniero ( Dirigente di Ricerca Istituto Nazionale di Astrofisica)
PARTICELLA DI DIO – SCIENZA E FEDE A CONFRONTO
In questi giorni è stata annunciata la probabile identificazione di una nuova particella elementare, il bosone di Higgs, sulle scie prodotte dai violenti scontri tra nuclei pesanti accelerati nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Nonostante il grande risalto dato dalla stampa, molti mi hanno espresso la loro delusione per non
essere ancora riusciti a comprendere perché questa scoperta sia così importante per la nostra conoscenza dei principi fondamentali della natura. Premesso che la moderna teoria dei campi quantistici non è cosa di facile comprensione, proverò a spiegare il perché di tanto entusiasmo nella comunità dei fisici. Esiste una stretta relazione fra massa ed energia, esemplificata dalla famosa legge einsteiniana E=mc2 . Le teorie dei campi quantistici mettono in relazione le forze, come quella elettromagnetica, e la materia. Secondo il cosiddetto modello standard, esistono due tipi di particelle elementari. Al primo tipo appartengono tutte le particelle di cui è fatta la materia, come i protoni e i neutroni di cui sono fatti i nuclei atomici, ma anche gli elettroni che gli ruotano intorno. Al secondo tipo appartengono invece le particelle che trasmettono le forze, come i fotoni che trasmettono la forza elettromagnetica. Secondo questo modello, la forza elettrica che tiene legati gli atomi in una molecola o in un cristallo funziona grazie ad un continuo scambio di fotoni. Nello stesso modo la forza nucleare forte che lega protoni e neutroni nei nuclei atomici funziona grazie al continuo scambio di gluoni (dall’inglese glue=colla). Questi due tipi di particelle si differenziano per il loro comportamento collettivo. In particolare, le particelle di materia sono detti fermioni (in onore del fisico italiano Enrico Fermi), mentre i trasmettitori delle forze sono detti bosoni (in onore del fisico indiano SatyendraNath Bose). In estrema sintesi, mentre i bosoni stanno bene insieme, senza troppi problemi, il comportamento collettivo dei fermioni è, in un certo senso, più asociale: essi tendono ad escludersi, accoppiandosi solo se precise regole di selezione sono rispettate. Ad esempio, nell’orbita più interna di un atomo possono collocarsi al massimo 2 elettroni. Se un terzo elettrone prova ad introdursi viene respinto in un’orbita più esterna. Il modello standard funziona molto bene. Molte delle previsioni di questa teoria sono state confermate in esperimenti effettuati negli ultimi 40 anni. Sin dall’inizio si è però capito che questo modello aveva dei grossi limiti. In particolare, non permette di prevedere i valori delle masse delle particelle elementari e l’intensità delle quattro forze fondamentali: elettromagnetica, gravità, forza nucleare forte e debole. L’ipotesi di Peter Higgs risolverebbe questo problema. Le osservazioni astronomiche ci dicono che l’Universo sta espandendo e che la sua temperatura media diminuisce nel tempo. Tornando indietro ai primi istanti di vita dell’Universo, la temperatura media doveva essere estremamente elevata. In queste condizioni le particelle di materia e le forze che oggi dominano, non potrebbero mantenere l’attuale complessità e diversità. In un certo senso l’Universo primordiale doveva essere molto più semplice di quello odierno. I fisici pensano che in queste condizione di elevata energia media le forze si unificano. I campi primordiali sono i progenitori di quelli attuali. Il campo di Higgs sarebbe quindi un campo primordiale che, ad un certo punto della storia dell’Universo, sarebbe decaduto dando vita alle forze e alle particelle che oggi conosciamo. La scoperta del suo bosone vettore confermerebbe questa ipotesi, permettendo di completare il modello standard. E’ proprio per questa caratteristica di generatore delle forze e delle particelle che è stato soprannominato la “particella di Dio”.
E’ questa la fine della fisica? Siamo veramente giunti al termine della ricerca della conoscenza? Ovviamente no. Il modello standard continua ad avere molti limiti. Le osservazioni astronomiche ci dicono che l’Universo è dominato da una forma di energia sconosciuta (energia oscura) e che più del 90% della materia è costituita da particelle massive che non sono state ancora scoperte (materia oscura). Entrambe questi importanti costituenti dell’Universo non sono inclusi nel modello standard. Già da tempo si parla del superamento di questo modello, di una teoria più generale che oltre alle particelle e alle forze conosciute possa spiegare la natura della materia e dell’energia oscura. Come sempre, l’impresa è ardua. Per il momento ci dobbiamo accontentare di aver completato il modello standard.