Oltre la particella di Dio

Oltre la particella di Dio

Il 5 aprile 2015 i fasci di protoni hanno ricominciato a circolare all’interno dell’acceleratore ginevrino che ora lavora a un’energia raddoppiata rispetto a quella che nel 2012 aveva permesso di scoprire il bosone di Higgs.

Si punta a risolvere gli enigmi dell’antimateria e dell’energia oscura.

Il 4 luglio 2012, quando fu dato l’annuncio della scoperta del bosone di Higgs al CERN di Ginevra, ha segnato un momento storico per la fisica delle particelle elementari. Il bosone previsto da Peter Higgs e indipendentemente da François Englert nel 1964 era infatti l’ultima conferma mancante al modello standard, la teoria che descrive le famiglie delle particelle elementari e le loro interazioni.

Pilastro fondamentale del modello standard, la particella di Higgs è associata all’omonimo campo, che ha la proprietà di conferire la massa a tutte le altre particelle elementari. Per questo, dopo la conferma sperimentale della sua esistenza, a Higgs e a Englert è stato assegnato il premio Nobel per la fisica nel 2013.

Tuttavia, sebbene abbia dimostrato straordinarie qualità nel descrivere i fenomeni alla scala microscopica, il modello standard presenta diverse lacune. Il modello unifica infatti 3 delle 4 forze fondamentali conosciute – elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte – ma non può dire nulla proprio sulla forza che sta sotto gli occhi di tutti: la gravità.

Descritta dalla relatività generale di Einstein, formulata un secolo fa, la gravità non è ancora stata conciliata con la teoria quantistica, che descrive le altre 3 interazioni. I modelli elaborati per unificare le forze della natura sono molti – il più celebre e accreditato è la cosiddetta teoria delle stringhe – ma per nessuno di essi è stata trovata, al momento, alcuna conferma sperimentale. Anche perché spesso gli effetti che descrivono sono a una scala troppo piccola – vicina alla scala di Planck, dell’ordine di 10–35 metri – per poter essere rivelati con gli strumenti di cui disponiamo.

Secondo i critici più severi, addirittura, la teoria delle stringhe sarebbe soltanto una sofisticata formulazione matematica priva però dei requisiti per effettuare previsioni sperimentali. O forse, in un’altra ipotesi, le nuove entità previste dalla teoria delle stringhe potrebbero avere energie estremamente elevate, molto più elevate di quelle accessibili a LHC (Large hadron collider).

È poi ancora aperta le questione dell’asimmetria tra materia e antimateria, o asimmetria barionica.

Per quanto ne sappiamo, al momento della formazione dei barioni – la famiglia delle particelle costituite da 3 quark, come protoni e neutroni – la materia e l’antimateria avrebbero dovuto formarsi in uguali quantità. E presumibilimente, coesistendo nello stesso spazio, avrebbero dovuto annichilirsi vicendevolmente. Invece l’Universo è apparentemente costituito soltanto da materia, e secondo le molte evidenze sperimentali di cui disponiamo l’antimateria ne costituirebbe soltanto una parte su 10–10. Si è ipotizzato che materia e antimateria possano essere confinate in regioni separate del cosmo, formando ammassi stellari dell’una e dell’altra, oppure che esistano regioni dominate dall’antimateria al di fuori dell’Universo osservabile, o ancora che materia e antimateria siano soggette a una repulsione gravitazionale reciproca. Al momento, tuttavia, non si hanno prove di nessuna di queste ipotesi, e il modello standard della fisica delle particelle non dà alcuna spiegazione della prevalenza della materia sull’antimateria.

Un altro problema aperto è quello della supersimmetria, una cornice teorica secondo la quale a ogni bosone (particella a spin intero) e a ogni fermione (a spin semintero) del modello standard è associato un fermione o un bosone della stessa massa. La supersimmetria permetterebbe di risolvere alcuni problemi del modello standard e consentirebbe di spiegare la differenza di intensità tra la forza nucleare debole e la forza gravitazionale. Ma soprattutto le particelle supersimmetriche

sarebbero tra le più serie candidate a occupare il ruolo della materia oscura, quella componente esotica della materia che costituisce quasi il 90% della massa dell’Universo.

In realtà, i fisici speravano che LHC potesse individuare particelle supersimmetriche fin dai primi esperimenti condotti con il collisore, ma in quella prima fase non se ne è trovata traccia.

Un altro grande problema aperto della fisica contemporanea, e in particolare della cosmologia, è l’energia oscura, ovvero la forma di energia al momento del tutto ignota che spiega l’espansione dell’Universo. L’energia oscura rappresenta oltre due terzi della massa e dell’energia del cosmo, e per essa sono state ipotizzate due possibili forme: una costante cosmologica, ovvero un’energia di densità costante che permea uniformemente il cosmo, come quella a suo tempo introdotta da Einstein per ottenere dalle sue equazioni un Universo stazionario; e la quintessenza, un campo di energia dinamico che varierebbe nello spazio e nel tempo. Dopo la scoperta sperimentale del bosone di Higgs, anche l’energia oscura è nei programmi di ricerca di LHC, anche se la quasi totale mancanza di indicazioni sulla sua natura rende estremamente arduo pensare che se ne possa trovare traccia con l’acceleratore ginevrino.

Qualche novità, in relazione almeno a qualcuna delle questioni aperte della fisica fondamentale, potrebbe arrivare però con la nuova fase degli esperimenti condotti con LHC. Dopo l’incidente accaduto nel settembre 2008, in cui vi fu una massiccia perdita di elio e si danneggiarono diversi magneti, tra il 2009 e il 2012 il collisore ha funzionato a un’energia di 8 teraelettronvolt (TeV), circa la metà di quella nominale. E dopo la conferma del bosone di Higgs, l’11 febbraio 2013 LHC è stato spento per interventi di manutenzione programmati che sono durati più di 2 anni.

Il 5 aprile 2015 i fasci di protoni hanno ricominciato a circolare all’interno di LHC, a un’energia di 13 TeV, per ottimizzare le collisioni in vista di una potenziale nuova fisica. E i risultati non si sono fatti attendere. Già il 13 maggio il laboratorio europeo per la fisica delle particelle annunciava, con un articolo su Nature, la prima osservazione di un decadimento estremamente raro, previsto dal modello standard. Si tratta del decadimento dei mesoni B neutri in una coppia di muoni, un fenomeno con una probabilità di accadimento molto bassa (dell’ordine di una su un miliardo). I mesoni B neutri – costituiti da mesoni B strange e mesoni B non strange – sono particelle instabili: l’antiquark bottom e il suo quark partner si annichilano, producendo una coppia di muoni. Ma il modello standard proibisce l’annichilazione di quark e antiquark di differenti sapori.

Nel caso del decadimento dei mesoni B neutri, la teoria prevede l’esistenza di un processo intermedio in cui i quark si scambiano un quark top, emettendo due bosoni W, particelle elementari che mediano la forza nucleare debole. La conferma di questo rarissimo evento, registrato indipendentemente dagli esperimenti CMS e LHCb, è dunque l’ennesima conferma del modello standard, però non rappresenta di certo quelle tracce di una nuova fisica che tutti auspicano da questa nuova serie di esperimenti di LHC. Ma il grande collisore del CERN è appena stato riacceso, e ci riserverà molte sorprese da qui ai prossimi anni.

CERN: gli interventi di miglioramento

- Nuovi magneti.

Sono stati sostituiti 15 dei 1232 dipoli magnetici superconduttori, che servono a curvare i protoni nell’anello dell’acceleratore, e 3 quadrupoli che focalizzano le particelle.

- Voltaggio maggiore.

Le cavità a radiofrequenza, che danno alle particelle piccoli impulsi di energia al loro passaggio, opereranno a tensione maggiore per raggiungere energie più alte.

- Magneti più protetti. È stato migliorato il sistema di protezione dai quench (perdita delle proprietà superconduttive). Serve a mettere in sicurezza la macchina contro i rischi di quench dei magneti o delle loro connessioni, dovute a problemi elettrici o riscaldamento locale con il fascio di particelle.

- Connessioni più sicure.

Più di 10.000 interconnessioni elettriche dei cavi superconduttivi tra i dipoli e i quadrupoli sono state elettricamente testate e verificate. Inoltre sono state dotate di shunt: barrette di rame che, in caso di quench del superconduttore, agiscono come un percorso alternativo per la corrente di 11.000 ampere.

- Sistema criogenetico consolidato.

Il sistema di criogenia è stato interamente consolidato: manutenzione di tutti i compressori freddi, aggiornamento dei sistemi di controllo e impianti di raffreddamento rinnovati. I dipoli magnetici, infatti, devono essere mantenuti a bassa temperatura per essere superconduttivi.

- Elettronica resistente alle radiazioni.

La manutenzione completa e l’aggiornamento del sistema elettrico ha richiesto più di 400.000 test. Inoltre, sono stati integrati nuovi sistemi più resistenti alle radiazioni.

- Vuoto preservato.

I fasci carichi, come quelli di protoni, possono strappare dalle superfici del tubo elettroni che interferiscono con il fascio. Per contenere questo effetto, l’interno del tubo a ultra-alto vuoto dove scorrono i protoni è stato rivestito con un componente che previene la persistenza di particelle residue.

Le parole

- Bosone di Higgs. È la particella speciale che decide quanta massa dare alle altre particelle elementari. La massa, ricordiamolo, è la proprietà fondamentale per l’esistenza e l’evoluzione del nostro Universo.

- CMS. Sigla di Compact muon solenoid, rivelatore di particelle di LHC, costruito con lo scopo principale di dimostrare l’osservazione sperimentale del bosone di Higgs e di altre nuove particelle.

- Elettronvolt (eV). Unità di misura dell’energia, largamente usata in fisica atomica, nucleare e subnucleare. Molto usati i suoi multipli: il GeV (un miliardo di volte più grande) e il TeV (mille miliardi più grande)

- Energia oscura. Il ritmo di espansione dell’Universo è attualmente crescente: per spiegare questo comportamento si è ipotizzato che l’Universo contenga una forma di energia ‘oscura’, ossia non misurabile direttamente perché assai debole, che contrasta l’attrazione gravitazionale fra i corpi celesti allontanandoli gli uni dagli altri.

- LHC. Sigla di Large hadron collider, il più grande acceleratore di particelle del mondo, costato tra i 6 e i 10 miliardi di euro e inaugurato il 10 settembre 2008 al CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire), il laboratorio europeo per la fisica delle particelle di Ginevra. Nel suo anello di 27 km, situato da 50 a 175 m sotto terra, parte in Francia e parte in Svizzera, una fila di 1200 magneti superconduttori, raffreddati a circa −271 °C, incurva i protoni di 2 fasci separati che corrono in senso opposto e sono accelerati da cavità risonanti; essi percorrono circa 11.000 giri al secondo: una velocità molto vicina a quella della luce.

- LHCb. È un esperimento di LHC che si propone di indagare alcuni aspetti dell’asimmetria tra materia e antimateria. Mediante il suo rivelatore, LHCb registra il decadimento dei mesoni-b: particelle contenenti quark b (o beauty) o anti-quark b.

- Materia e antimateria. Le leggi della fisica prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche un’altra forma di materia, la cosiddetta antimateria. Questa è formata da antiparticelle del tutto identiche a quelle che ci circondano, salvo per il fatto di avere numeri quantici, per esempio la carica elettrica, di segno opposto. Particelle e antiparticelle poste in interazione si annichiliscono, trasformandosi in altre particelle di massa minore ed emettendo radiazione elettromagnetica.

- Materia oscura. In astronomia, ogni forma di materia presente nell’Universo che non emetta radiazione elettromagnetica di alcun tipo, o che ne emetta con intensità non rilevabile dagli strumenti. La sua presenza è valutata indirettamente dagli effetti gravitazionali sul moto di stelle e galassie.

- Teoria delle stringhe. A differenza delle particelle, che caratterizzano l’attuale fisica fondamentale, le stringhe sono oggetti microscopici estesi in una dimensione, come appunto piccole cordicelle, sicché tutti gli ingredienti fondamentali del mondo fisico, cioè elettroni, quark, forze elettromagnetiche, gravitazionali ecc., non sarebbero che manifestazioni del moto nello spazio di tali stringhe.