L'antimateria, il bosone di Higgs e il Modello Standard

Scienza Di Stefania Bergo. Il bosone di Higgs è la colla che tiene insieme l'universo ed è anche per questo che si è guadagnato il soprannome di "particella di Dio". Ma come spiegare a mia figlia e alla signora Maria la fisica quantistica? Con i Lego!

Il giorno dell'annuncio della scoperta del bosone di Higgs, Fabiola Gianotti, fra i protagonisti indiscussi della fisica contemporanea, ha dichiarato al mondo:

Nei nostri strumenti abbiamo osservato tracce chiare di una nuova particella a circa 125 Gev di massa.

Ma che significa? Da che è dettata questa esaltazione, ai più incomprensibile?
Secondo gli scienziati, questa scoperta può fornire una risposta alla Domanda, con la D maiuscola: perché esistiamo e siamo fatti di materia? Perché subito dopo il Big Bang, la maggior parte dell'antimateria è sparita e oggi, in violazione della simmetria dell'universo, c'è più materia che antimateria?
Beh, forse noi comuni mortali, mia figlia Emma, la signora Maria ed io, non ce lo chiediamo, ma i fisici sì. E comunque, l'antimateria ha sempre affascinato sia il mondo scientifico sia quello letterario, fruibile da tutti. Ad esempio, nel romanzo thriller Angeli e Demoni di Dan Brown, in parte ambientato al CERN di Ginevra, si parla proprio di antimateria... che mi fa pensare, da profana, a Capitan  Harlock.

Tornando al discorso della simmetria dell'universo, al momento del Big Bang si pensa ci dovesse essere una sostanziale parità tra materia e antimateria. Perché? Beh, perché no? 

Come in un mondo perfetto, le particelle di materia si riflettevano in quelle di antimateria e l'equilibrio era intatto. E quando particelle e antiparticelle si incontravano, avveniva l'annichilazione, cioè, nello scontro, si annullavano a vicenda e si trasformavano in altri tipi di particelle o in energia, rimanendo però sempre in equilibrio numerico. Ma questa perfetta simmetria cosmica, come tutte le situazioni idilliache, a un certo punto si è rotta e l'ago della bilancia è stato nettamente spostato verso la materia.
Gli scienziati pensano che in tutto questo abbia un ruolo fondamentale il bosone di Higgs, dato che è strettamente legato alla massa e quindi alla materia. Ma che cos'è il bosone di Higgs?
Cercherò di raccontarlo a mia figlia Emma e alla signora Maria...

Cos'è il Modello Standard?

Andiamo con ordine e partiamo dall'acqua, come suggerisce Marco Delmastro, fisico delle particelle al CERN di Ginevra.
Fino a qualche tempo fa ci si accontentava di osservarla e definirla come tale, senza preoccuparsi di cosa fosse costituita. Poi i fisici, i più curiosi tra gli scienziati, hanno pensato bene di indagare in modo più approfondito quali fossero i mattoncini che formano l'acqua, avendo ovviamente prima l'intuizione che fosse costituita da elementi tra loro aggregati. Mettendo una goccia d'acqua sotto la lente di microscopi sempre più potenti, sono riusciti a distinguere dapprima le molecole, poi gli atomi dei due elementi che la compongono, l'idrogeno e l'ossigeno, poi i costituenti dei singoli atomi, cioè i protoni, i neutroni e gli elettroni. Non paghi di questo, si sono spinti oltre, arrivando a definire gli elementi fondamentali che compongono la materia, che possiamo immaginare come i mattoncini Lego dell'universo.

Secondo il Modello Standard, che corrisponde ovviamente alla realtà inconfutabile, concreta, e non a pura filosofia, le particelle elementari alla base di tutto sono i quark e i leptoni. 

Combinandosi tra loro, esattamente come dei mattoncini Lego, quark e leptoni danno origine a tutta la materia, grazie ad altre particelle che svolgono la funzione delle forze aggreganti della natura:

• i fotoni, che costituiscono la luce e l'interazione tra cariche elettriche e sono i responsabili della forza elettromagnetica; 
• i gluoni che sono la colla superpotente che tiene insieme i quark e i nuclei degli atomi e danno origine a quella che viene definita forza forte; 
• le particelle W e Z sono invece responsabili della radioattività, e palesano la cosiddetta forza debole. 

L'altra forza che governa l'universo è la gravità, legata alla massa, come abbiamo visto in un precedente articolo sulle onde gravitazionali, in grado di piegare lo spaziotempo.
Facciamo un esempio, sempre servendoci del modello standard a mattoncini Lego. Un atomo di idrogeno (simbolo chimico H) è costituito da un protone attorno cui ruota un elettrone, e rappresenta l'elemento più semplice in natura. Il suo nucleo è quindi dato da un singolo protone, cioè dall'aggregazione di due quark up (mattoncini blu) e un quark down (mattoncino azzurro) tenuti insieme dai gluoni (mattoncino piatto grigio). Attorno al nucleo ruota l'elettrone (il mattoncino singolo giallo), che è una particella fondamentale, cioè non ulteriormente divisibile (almeno per ora!). Ciò che tiene legato quest'elettrone al nucleo attorno cui ruota è la forza elettromagnetica (mattoncino piatto singolo bianco), rappresentata dai fotoni.

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La teoria che descrive i componenti fondamentali della materia e le loro interazioni è definita Modello Standard, ed è stata formalizzata negli anni '70 del secolo scorso. 

Tale teoria, tuttavia, sebbene dia una reale spiegazione della materia, è stata formulata sulla base di un'approssimazione tutt'altro che banale: tutto funziona, infatti, se si assume che le particelle non abbiano massa. Il che è un'approssimazione azzardata: nessuna massa = assenza di peso. Ma Emma e la signora Maria sanno benissimo che le cose, come le conosciamo, hanno massa, hanno un peso, e quindi tutti i mattoncini lego che ci compongono devono avere una massa. Logico, no? Ma introducendo la massa nel Modello Standard, crolla il castello di carte, le equazioni non funzionano più...

Cos'è il bosone di Higgs?

A detta di quasi tutti i fisici delle particelle, spiegare la teoria elaborata da Higgs sull'esistenza del suo bosone, non è affatto facile. È stato meno complicato scoprirlo.
Peter Higgs, un timido fisico trentacinquenne dell'università di Edimburgo, armato solo di carta e penna, nel 1964 si mise in testa di salvare capra e cavoli, con un'intuizione che mantenesse buone le equazioni del Modello Standard ma che introducesse anche la massa delle particelle. Ipotizzò, dunque, che la massa non fosse una proprietà intrinseca delle particelle stesse (cioè le particelle non nascono con una massa; sono tutte uguali e si muovono alla stessa velocità, quella della luce), ma che nell'universo esistesse una sorta di melassa cosmica che le particelle devono attraversare quando si muovono, acquisendo una massa diversa a seconda della particella, creando solo a questo punto una dissimetria. Più propriamente, è il modo in cui questa melassa, che è il campo di Higgs, frena le varie particelle, a conferire loro la diversa massa. In altre parole, il bosone di Higgs conferisce alle particelle una massa mediante l'interazione con il campo da esso prodotto.
Un doppio salto carpiato per questo passaggio logico, in cui causa ed effetto vengono rovesciati. Emma l'ho persa, sta costruendo il castello di Elsa coi mattoncini, ma forse la signora Maria mi segue ancora.

Utilizziamo un'altra analogia. Pensiamo a un nuotatore in piscina. 

Supponiamo che faccia una vasca con una pallina da ping pong in mano. Quest'ultima non ostacolerà di certo la sua traversata, essendo molto piccola (quasi trascurabile). Se invece il nuotatore avesse tra le mani una palla più grande, incontrerebbe logicamente una certa resistenza del nuoto, avanzando con una velocità inferiore all'aumentare delle dimensioni della palla. La nostra logica di non addetti ai lavori, quella della signora Maria e mia, suggerisce che quanto più grande è la palla tra le mani del nuotatore, maggiore sarà la resistenza incontrata. I fisici, invece, che masticano la teoria di Higgs come un chewingum alla menta, rovesciano tutto, dicendo che la resistenza stessa rappresenta la massa della palla, quindi maggiore è la resistenza incontrata maggiore sarà la massa acquisita dalla palla e minore sarà la velocità con cui si muove. La resistenza conferisce la massa alla palla. Ovviamente, sempre i fisici, non parlano certo di acqua, piscina e palle, ma di universo immerso nel campo di Higgs.
Higgs andò oltre nei suoi stessi calcoli e pensò che la melassa cosmica, oltre a dare massa alle particelle, dovesse anche raggrumarsi su se stessa, dando vita proprio al bosone, la particella che crea il campo stesso (l'acqua della piscina). E questo rappresentò il punto di partenza per tutte le successive ricerche, cioè la ricerca dell'ultimo mattoncino Lego che completa la base per la costruzione di tutta la materia.

La scoperta del bosone di Higgs

Il bosone di Higgs, scoperto al Cern  il 4 luglio del 2012, è dunque una sorta di colla che tiene insieme l'universo ed è anche per questo che si è guadagnato il soprannome di "particella di Dio", termine poco amato dai fisici e giudicato dallo stesso Higgs «inutilmente offensivo nei confronti di alcuni credenti», ma ormai diventato di uso popolare.
Tre dei quattro esperimenti che hanno studiato i frammenti di particelle generati dalle collisioni fra i protoni, sono stati guidati da fisici italiani, prima fra tutti Fabiola Gianotti, responsabile dell’esperimento Atlas che ha dato la caccia, per quasi due anni, alle tracce del bosone di Higgs, indagando al caso e riuscendo a scoprire il colpevole solo sulla base degli indizi lasciati. Il bosone, infatti, viene prodotto nelle collisioni ad alta energia tra i protoni, dicevamo, ma in un tempo brevissimo impossibile da misurare si trasforma in altre particelle, che invece gli strumenti sono in grado di rilevare. Ed è stato proprio studiando i prodotti di decadimento del bosone di Higgs che gli scienziati hanno scoperto non solo la particella di Dio ma anche il fatto che ce ne potrebbe essere più di un tipo.

Dal 1° gennaio, Fabiola Gianotti, ha assunto ufficialmente l'incarico di direttore generale del Cern di Ginevra, prima donna nei 60 anni di storia del laboratorio europeo. 

E di questo, la signora Maria ed io siamo molto orgogliose.
Ascoltiamo, ora, direttamente dalla sua voce, una spiegazione più esaustiva e precisa del Modello Standard e dell'utilizzo della scoperta del bosone di Higgs. Lasciamo che ci racconti anche come potrebbe cambiare la nostra vita e in che modo gli esperimenti nati per spiegare la fisica abbiano contribuito, negli anni, a migliorare la nostra quotidianità, dalla sanità al world wide web.

Peter Higgs Hans G

Stefania Bergo SCHEDA DELL'AUTORE

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