Alla scoperta del Bosone di Higgs

Si fa sempre più vicino il momento in cui il mistero che si cela dietro la particella teorizzata da Mister Higgs verrà svelato e tutti sapremo quale sia la sua natura, ammesso ovviamente che esista.

La scoperta del bosone di Higgs, questo e' il termine corretto che i fisici delle particelle utilizzano per identificare la particella in questione, e' stata la motivazione principale per la costruzione del più grande acceleratore di particelle del mondo e di esperimenti dalle dimensioni colossali e dalla complessità inimmaginabile, forse comparabile solo alle grandi missioni spaziali con equipaggio umano.

In questi giorni a Ginevra, l'aria che si respira e' proprio frizzante e non lo si deve solo alla settimana di festeggiamenti cittadini. Ieri e' stato annunciato che i primi fasci di particelle circoleranno in LHC a partire dal 10 di settembre, ma già oggi il piccolo (si far per dire) acceleratore circolare, SPS, ha continuato ad iniettare protoni di alta energia nel suo fratellone maggiore LHC.

Adesso manca veramente poco e per tutti quelli che hanno passato anni a lavorare alacremente giorno e notte per vedere questo sogno trasformarsi in realtà deve essere una soddisfazione davvero unica.

Ma che cos'e' questo bosone di Higgs? La fisica delle particelle si propone di spiegare come funzioni l'universo intero nella sua immensità studiando a fondo come funziona il mondo dell'infinitamente piccolo, ovvero quello delle particelle elementari. Giusto per dare una rispolverata ai lettori più digiuni in materia, si tratta di quelle cose dai nomi un po' bizzarri, tipo elettrone, protone, quark... che più o meno tutti hanno sentito nominare almeno una volta nella vita. Al momento attuale, la migliore teoria esistente nell'ambito della fisica delle particelle si chiama modello standard e, utilizzando questo modello, e' possibile fare delle previsioni molto accurate circa le interazione fra le varie famiglie di particelle. Il modello standard e' stato messo alla prova in tantissimi esperimenti e c'e' solo un punto che ancora non e' chiaro ai fisici che descritto con parole molto semplici suona più o meno così: perchè  l'elettrone pesa esattamente quella quantità e non un po' di più o un po' di meno?

E, che ci crediate o no, la risposta sta proprio nel bosone di Higgs. E' proprio lui il responsabile della massa delle singole particelle (mi raccomando non accusatelo della vostra massa in eccesso, quella dipende solo dalla roba che mangiate!) ed e' lui che stabilisce che, per esempio, un muone pesi molto di più dell'elettrone, suo fratello più leggero, ma per il resto identico.

E se scoprissimo che non esiste? Quella già di per sè sarebbe una scoperta! Vuol dire che il modello standard come l'abbiamo pensato noi non va bene ed e' solo un'approssimazione della realtà, una buona approssimazione, ma sempre un'approssimazione. Un po' come la relatività galileiana che va bene per descrivere la vita di tutti i giorni e' solo un'approssimazione delle relatività generale che, invece, vale in tutte le condizioni sperimentali che l'uomo ha potuto verificare fino al giorno d'oggi. Quindi se scopriremo che il bosone di Higgs non esiste, allora ci sarà molto da capire e tanto di nuovo da scoprire.

E una volta che l'abbiamo scoperto? Quello sarà solo l'inizio! Da quel momento in avanti possiamo sbizzarrirci ed andare a vedere se ci sono fenomeni esotici non previsti dal modello standard, la cosi detta nuova fisica, e rispondere a tante altre domande che forse non sono ancora state formulate.

Un grosso in bocca al lupo a tutto il CERN

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La macchina dei desideri dei fisici teorici
Il Large Hadron Collider
inizia l’attività con qualche ingiustificato allarmismo
(fonte: Corriere del Ticino - Marco Cagnotti)

Ci siamo: l'hanno acceso. Nei prossimi giorni il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra vedrà correre nei suoi tubi ad alto vuoto il primo fascio di particelle elementari. Questo sarà solo un test e da qui ai primi veri risultati scientifici ci vorrà ancora parecchio. Ma intanto il primo passo, a 30 anni dalla prima intuizione, sarà stato compiuto.
 
La gara al gigantismo nelle grandi macchine acceleratrici vede compiersi l’ultimo successo: il Large Hadron Collider è diventato operativo. Questa rincorsa alle energie sempre più elevate, per frugare nei meandri più reconditi della materia, ha una storia antica che prende avvio all’inizio del Novecento. E che sembra avviarsi alla conclusione, sebbene nuovi impianti siano in fase di progettazione.
La gara fra Europa e Stati Uniti
Riutilizzare un impianto vecchio per fare cose nuove:nel 1977 quest’idea emerge fra i fisici delle particelle, che rivolgono lo sguardo al tunnel sotterraneo e circolare lungo 27 chilometri che il CERN ha costruito a Ginevra, a cavallo del confine franco-svizzero. Sette anni dopo viene creato un gruppo di lavoro per stendere il progetto, che viene ratificato dal CERN nel 1994. Nel frattempo in quel tunnel si gioca la supremazia fra l’ Europa e gli Stati Uniti. Gli scienziati del Vecchio Continente operano con l’acceleratore Large Electron-Positron (LEP), che fa scontrare fasci di elettroni e di positroni. Oltreoceano si lavora invece con il Tevatron del Fermilab di Chicago. Lo scopo è raggiungere le energie necessarie a scoprire una particella, il bosone di Higgs, prevista dalla teoria ma mai osservata in alcun esperimento.
Il 17 novembre del 2000 a Ginevra viene presa una decisione coraggiosa: spegnere per sempre il LEP. È un gesto che molti considerano temerario. Da alcuni indizi l’elusiva particella sembra a portata di mano, e qualcuno ritiene che forse forse, potenziando un po’ l’acceleratore già attivo, ci sarebbe stata la possibilità di battere i concorrenti. D’altro canto rinunciare al LEP significherebbe restare per anni, in attesa di LHC, senza un acceleratore, e lasciare il campo libero agli americani. Ma così viene deciso. A favore degli europei gioca la crisi economica americana e la miopia dei politici statunitensi, che tagliano i fondi alla fisica fondamentale, dando così tempo ai ricercatori da questa parte dell’oceano di rimboccarsi le maniche e concludere, pur con alcuni mesi di ritardo rispetto alla tabella di marcia, i lavori sul nuovo, grande acceleratore. Che raggiunge energie 7 volte maggiori di quelle del Tevatron americano, con fasci di particelle 40 volte più intensi.
I numeri di un impianto gigantesco
Il funzionamento di LHC non è troppo difficile da spiegare:si tratta di focalizzare due fasci di protoni e di mandarli in collisione uno contro l’altro, per poi stare a guardare che cosa succede. Hai detto niente… In ogni fascio ci sono 3.000 miliardi di particelle che percorrono i 27 chilometri a una velocità prossima a quella della luce e che devono essere allineati con la massima precisione, grazie a 7.000 magneti superconduttori raffreddati a 2 gradi sopra lo zero assoluto. Quattro rivelatori tracciano le particelle che emergono dagli impatti, nella speranza di scovare il bosone di Higgs. Sono giganteschi: il più grande riempirebbe per metà la cattedrale parigina di Notre-Dame e pesa quanto la Torre Eiffel. Nondimeno i suoi componenti devono essere allineati con una precisione di 50 milionesimi di metro. Da tutto questo bendiddio della tecnologia usciranno dati in grado di intasare 100 mila DVD all’anno: troppi, per accumularli da qualche parte. Sicché è stato necessario sviluppare algoritmi capaci di riconoscere al volo solo gli eventi significativi, ignorando tutti gli altri. Eventi che verranno poi processati da decine di migliaia di elaboratori nel mondo con la collaudata tecnica del network computing.
 
La crisi del Modello Standard

«Nel Medio Evo rinascimentale / c’è chi cerca una liberazione /e c’è chi scopre un’altra particella…», cantava Franco Battiato. È dunque ragionevole chiedersi se ne vale la pena. Davvero il bosone di Higgs merita un investimento di molti miliardi di dollari? In realtà la posta in gioco è molto più alta. Il bosone di Higgs è importante, forse il tassello più importante nel vasto mosaico del Modello Standard, cioè il quadro teorico che descrive il numero e le proprietà delle particelle elementari e delle forze che agiscono fra loro. Il bosone di Higgs spiegherà per quale motivo le particelle possiedono proprio quei valori della massa e non altri. Ma il Modello Standard, sviluppato a cavallo degli Anni Settanta e Ottanta, zoppica:non rende conto di tutti i fenomeni e a certe energie perde il proprio valore esplicativo.
Per questo i fisici teorici guardano ben oltre e cercano una Teoria del Tutto, che sperano possa essere autoconsistente, cioè in grado di determinare in maniera univoca i valori di tutte le costanti fisiche fondamentali. Fra i candidati migliori c’è la teoria delle stringhe, che però è ancora molto lontana da una formulazione completa e definitiva. Non solo: all’interno della comunità dei teorici negli ultimi anni è stata sottoposta a un’intensa critica, a favore di teorie alternative come la gravità quantistica a loop. Su questi confini della conoscenza si trovano concetti molto lontani dal comune buon senso, dall’intuizione di noi esseri macroscopici e tridimensionali: dimensioni nascoste (ben sei spaziali, secondo la teoria delle stringhe) e supersimmetrie.
LHC potrebbe mettere ordine in questo caos teorico. O almeno indirizzare meglio i ricercatori costringendoli (finalmente) lungo un percorso più chiaro. En passant, i risultati che il grande acceleratore produrrà potrebbero anche fare chiarezza sull’enigma più affascinante dell’astrofisica moderna. Ovvero: da che cosa è composto l’universo? Sappiamo infatti che la materia visibile rende conto solo del 4 per cento del totale. Tutto il resto è formato da materia ed energia oscure, invisibili. Che ci sono, ma sulla cui natura non si ha alcuna certezza.
E poi?
Mentre ancora LHC deve cominciare a macinare risultati scientifici, già i fisici guardano al suo successore. Fra i più promettenti c’è l’ International Linear Collider (ILC), che sarà lungo più di 30 chilometri e farà scontrare fasci di elettroni e positroni. Operando parecchi ordini di grandezza sotto il Large Hadron Collider, ILC potrà però acquisire conoscenze che sono irraggiungibili per LHC. Volendo usare una metafora, potremmo dire che LHCè il martello che rompe la noce e ILC il bisturi che scava al suo interno, lavorando di fino.
Al progetto ILC stanno già lavorando 1.600 scienziati e ingegneri di 300 laboratori. Manca però ancora la definizione del sito finale. Soprattutto mancano i soldi necessari, valutati, senza considerare i rivelatori, a 6,7 miliardi di dollari. I recenti tagli imposti dal Congresso degli Stati Uniti per l’anno fiscale 2008, sebbene in parte rientrati, non lasciano ben sperare.
D’altronde bisogna pur dirlo: la fisica sperimentale delle particelle è in crisi. Le macchine hanno raggiunto dimensioni, costi e complessità oltre i quali non si può andare, anche con le risorse a disposizione di una grande potenza industriale come gli Stati Uniti o di un consorzio internazionale come il CERN. Perciò fra i fisici si sta diffondendo la convinzione che sia necessario qualche salto concettuale, che debba emergere un’intuizione che consenta di proseguire le ricerche oltre LHC senza svenarsi.
Ma ne vale la pena?
Eppure, anche ammesso che gli intriganti misteri della fisica fondamentale vengano chiariti, il dubbio rimane:ne vale la pena? Sì, insomma, miliardi di dollari impiegati per ricerche così esotiche sono giustificati? I fisici di fronte a questa domanda si appellano al valore della conoscenza pura. Che certo è importante, ma non aiuta a riempire le pance degli affamati, né a curare l’ AIDS che devasta l’Africa, e neppure a far girare l’economia e a generare nuovi posti di lavoro. O forse sì?
La ricerca di base non serve soltanto a scoprire le leggi naturali. Ma, spingendo le esigenze sperimentali al limite delle capacità umane, costringe pure scienziati e ingegneri a poderosi sforzi tecnologici, che hanno poi ricadute sotto forma di brevetti e di applicazioni che si ritrovano nella vita di tutti i giorni. Citeremo solo il più scontato. Un’applicazione di cui oggi nessuno più riesce a fare a meno. Senza la quale la comunicazione moderna sarebbe monca, inaridita. Stiamo parlando del World Wide Web. Dov’è stato inventato? Al CERN, per facilitare le comunicazioni fra gli scienziati. Ebbene, non ne valeva la pena?

(fonte: Corriere del Ticino - Marco Cagnotti)