Boson for dummies!

Una data importante per la scienza: 4 luglio 2012. A Ginevra sono le nove di mattina e, in tutti i luoghi del mondo in cui si fa ricerca in fisica, i computer sono collegati in streaming con il CERN, il laboratorio di fisica nucleare di Ginevra. Io, per curiosità, sono andata al dipartimento di fisica di Perugia, dove, in un'aula, che mi ricorda tanto lo stress per l'esame di fisica, trovo qualche decina di ricercatori in attesa dell'evento. Dallo schermo arrivano le immagini della sala conferenze del CERN e ciò che mi colpisce subito sono molti giovani esausti che dormono sul loro portatile... Hanno probabilmente lavorato tutta la notte e sono sotto pressione da settimane, ma hanno l'aria, non so perché, gratificata. Già Topolino, nel 1985, aveva preannunciato che questo tunnel di 27 km, scavato 100 m sotto terra vicino a Ginevra in Svizzera, avrebbe condotto i fisici verso nuove emozionanti scoperte. E così è stato.

Nel 1985 anche Topolino si era occupato dell'acceleratore di Ginevra (http://archivio.asimmetrie.it/materiali/92.pdf)!
4 luglio 2012: immagine dalla sala conferenze del CERN (http://www.shan-newspaper.com/web/images/stories/images045/bosone_02.jpg).

Il CERN è il centro europeo di fisica nucleare dove è stato costruito l'acceleratore di particelle più grande del mondo, l'LHC (Large Hadron Collider). Per avere un'idea di cosa sia l'LHC guardate la presentazione della mostra Estremo, che c'è stata lo scorso anno a Perugia. E se siete dei veri curiosi, la dote principale di ogni buono scienziato, leggete anche l'intervista che i ragazzi di Orvieto avevano fatto al fisico Gino Isidori proprio quando questo acceleratore è stato acceso per la prima volta.
Un acceleratore di particelle è una gigantesca macchina che accelera particelle subatomiche le une contro le altre. Queste particelle vengono fatte collidere in modo tale che "rompendosi" possano svelarci "come sone fatte". E così, come quando si rompe un giocattolo per vedere come è fatto dentro, si studia come è fatta la materia e quali sono le sue caratteristiche.
Il 4 luglio 2012 i fisici del CERN hanno annunciato di "aver visto" per la prima volta il bosone di Higgs. Ma cosa è questo bosone e perché è così importante la sua scoperta?
Come dico spesso, "questa è fisica da grandi", ma non è mai troppo presto per appassionarsi a temi scientifici che potranno essere compresi solo continuando a studiare!!! E allora dovete sapere che, se adesso studiate che l'atomo è formato da neutroni, protoni ed elettroni, più avanti studierete che i protoni e i neutroni sono formati da particelle più piccole che si chiamano quark, che, come gli elettroni, sono particelle elementari, cioè non composte da altre particelle. Continuando a studiare, vi insegneranno che la fisica moderna descrive tutte le particelle elementari e le interazioni tra di esse grazie ad una teoria che si chiama modello standard. Le particelle elementari del modello standard sono di due tipi: leptoni e quark. Esistono sei tipi di leptoni: elettrone, muone e tauone, carichi e con massa crescente dall'elettrone al tauone. E poi ci sono i neutrini elettronici, muonici e tauonici (leggi anche Neutrini come Speedy Gonzales!!!), privi di carica e con una massa molto molto piccola. I quark, invece, formano gli adroni, come per esempio i protoni e i neutroni. Anche i quark sono sei: up e down, charm e strange, top e bottom. I quark sono particelle cariche, ma con una carica frazionaria rispetto a quella del protone, per esempio il quark up ha una carica di 2/3 e il quark down di -1/3.
Le particelle elementari interagiscono tra di loro ed è proprio da queste interazioni che si origina la materia. In natura esistono quattro interazioni fondamentali, dette anche forze fondamentali: quella elettromagnetica, quella debole (unificate nell'elettrodebole), quella forte e la forza di gravità (leggi anche Le quattro forze). La gravità è, per il momento, esclusa dal modello standard. Le altre tre forze sono, per così dire, "portate" o meglio mediate da altre particelle: i fotoni (elettromagnetica) e i gluoni (forza forte), privi di massa, e i bosoni massicci W e Z (forza debole).

Il modello standard (http://1.bp.blogspot.com/-8C9xvax_WGE/T_QjLeHW8mI/AAAAAAAAApw/Et3Ih_rYBNI/s1600/modello_standard.jpg).
L'acceleratore LHC e la posizione dei due rivelatori ATLAS e CMS (http://scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/05/lhc-sim.jpeg).

Nell'ambito del modello standard, il bosone di Higgs riveste un ruolo fondamentale perché è la particella che è capace di generare la massa di tutte le altre. Cosa significa? Non è semplice da capire, ma proviamo a farci un'idea con gli esempi che i fisici delle particelle amano fare per spiegare questo meccanismo. Il bosone di Higgs genera un campo di forze che può essere immaginato come un mare di "melassa" presente ovunque, in cui le particelle si muovono incontrando una certa resistenza che si manifesta come massa. E' come se la melassa si attaccasse alle particelle generando così la loro massa. Oppure si può pensare ad un gruppo di fisici intenti a discutere in una sala. Ad un certo punto, Einstein fa il suo ingresso nella sala, attirando immediatamente molti ammiratori, che si avvicinano a lui. L'entrata di Einstein crea una perturbazione nella sala e il grande fisico fa sempre più fatica a muoversi per l'avvicinarsi dei suoi colleghi. Questo aumenta la sua inerzia al moto, cioè Einsten sembra acquistare massa come una particella che si muove nel campo di Higgs. Analogamente, se un campo di forze è distorto localmente dal passaggio di una qualsiasi particella, l'aggregazione del campo intorno alla particella genera la sua stessa massa. Ma come parlano questi fisici!!!???

L'analogia di David Miller (http://mail2web.com/blog/2008/04/the-higgs-boson-as-explained-by-david-miller/).
A capo dell'esperimento ATLAS c'è una fisica italiana di nome Fabiola Gianotti, che, il 4 luglio, ha avuto la fortuna di
comunicare al mondo intero di aver visto il bosone cercato da tutti.
Ad ascoltarla c'era pure Peter Higgs, il padre del bosone, che lo aveva previsto nel 1964.

Peter Higgs e altri fisici nel 1964 avevano pubblicato tre articoli teorici in cui prevedevano l'esistenza di questo campo di forze e di un bosone capace di generare le masse delle altre particelle. Ebbene la scoperta di una particella molto simile al bosone, previsto da Higgs quasi cinquanta anni fa, ha scosso l'intera comunità scientifica lo scorso 4 luglio e ha fatto commuovere Peter... I fisici sono al settimo cielo perchè hanno aggiunto una pietra miliare al loro modello standard delle particelle e hanno spiegato come si origina una proprietà fondamentale della materia come la massa.
Vorrei concludere questo approfondimento con una riflessione per i miei cari studenti... Qualche giorno fa, spiegando in classe il calcolo letterale, mi è stata rivolta la seguente domanda: "Ma a che serve?". Modifico "leggermente" la domanda: "A cosa serve costruire un tunnel di 27 km sotto Ginevra per riuscire a vedere il bosone di Higgs"? Ebbene, serve a far progredire le nostre conoscenze per dipanare i misteri della natura della materia e dell'Universo. Ma, non solo. Gli esperimenti al CERN di Ginevra hanno permesso e permetteranno notevoli progressi tecnologici che miglioreranno la nostra vita. Ne cito due: l'applicazione della superconduttività, una proprietà di particolari materiali utilizzati nella costruzione dell'acceleratore, ha avuto un grande successo in medicina nella risonanza magnetica per immagini. La Grid, una rete planetaria che unisce e utilizza contemporaneamente la potenza di calcolo e la memoria di decine di migliaia di computer sparsi nel mondo, progettata proprio per analizzare i 15 milioni di gigabyte di dati prodotti ogni anno da LHC, è oggi utilizzata per affrontare problemi complessi come l'evoluzione biologica, l'origine dell'Universo, la progettazione di molecole capaci di debellare la malaria o combattere il cancro, prevedere gli effetti del riscaldamento globale, gestire situazioni di crisi ambientali o sanitarie. Dimenticavo, il World Wide Web, è stato inventato proprio al CERN nel 1991 per scambiare dati tra fisici. Pensateci ogni volta che digitate www !!! E, ultima riflessione, per fare tutto ciò serve il calcolo letterale!!!

Referenze
AA.VV. 2009 "Il bosone di Higgs" Asimmetrie, numero 8/6.09. Trimestrale dell'Isituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Tonelli G., Lan Wu S., Riordan M. (2012) Il bosone di Higgs, finalmente. Le Scienze, 530: 38-45.
Cirilli M., Liberti G. (2012) La fisica delle particelle elementari. Linx Magazine, la rivista di scienze per la classe. Ottobre 2012: 34-39.
L'avventura delle particelle.
Imparare con l'esperimento ATLAS al CERN.
Costruire un rivelatore di particelle a casa!
L'esperimento ATLAS.
L'esperimento CMS.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)