La nuova avventura di LHC

Nella fisica delle particelle, si sa, l’obiettivo principale è quello di studiare la struttura della materia. Il Large Hadron Collider (LHC) è proprio lo strumento più adatto, e il più grande che sia mai stato costruito, che come una sorta di microscopio gigante ci permette di esplorare le proprietà delle particelle elementari e le loro interazioni che insieme rappresentano lo scheletro della materia al livello più fondamentale. La comunità scientifica è in trepidante attesa per i nuovi esperimenti che caratterizzeranno il Run 2 di LHC anche perchè potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’Universo. Fisici ed ingegneri hanno già effettuato gli ultimi controlli dopo due anni di manutenzione che hanno portato il grande acceleratore a raddoppiare l’energia di collisione portandola al valore di 13-14 TeV. Al momento, nell'anello di 27 Km si stanno completando tutta una serie di test che termineranno con l'inizio delle vere e proprie collisioni a partire, secondo le previsioni, da questo mese di Maggio. Dopo il successo ottenuto a seguito della scoperta del bosone di Higgs, o meglio di una particella che tanto gli assomiglia, tra gli obiettivi che si propongono i fisici quello di trovare tracce di nuove particelle in una sorta di corsa contro il tempo che ha quasi del fantascientifico.

Breve storia del modello standard

Quella che segue è una panoramica relativa agli ultimi sviluppi della migliore teoria che ci permette di descrivere le particelle elementari e le interazioni fondamentali: stiamo parlando del modello standard. Esso si basa su teorie di gauge, dette anche teorie di scala, cioè una classe di teorie di campo basate sull'ipotesi dell'invarianza di alcune simmetrie, di cui la prima è stata l’elettrodinamica quantistica, che descrive le interazioni elettroni-luce. Questa venne più tardi incorporata nella teoria elettrodebole, relativa alle interazioni elettromagnetica e nucleare debole. Nel corso del tempo, il modello standard incluse anche la cromodinamica quantistica che descrive l’interazione nucleare forte. L’ultimo tassello mancante del modello standard è stato il bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al CERN. Nonostante ciò, la teoria delle particelle e delle interazioni è ancora lontana dall’avere l’ultima parola dato che esistono molti punti oscuri che dovranno essere risolti.

Una nuova teoria sulla simmetria di scala

Sebbene le galassie siano molto più grandi degli atomi, un pò come gli elefanti rispetto alle formiche, alcuni fisici iniziano a pensare che le differenze tra le dimensioni potrebbero essere una mera illusione. Forse, la descrizione fondamentale dell’Universo non include i concetti di “massa” e “lunghezza”, implicando il fatto che nella sua vera essenza la Natura potrebbe non avere un senso intrinseco del concetto di scala delle misure.

L’Universo potrebbe non essere ‘naturale’

Ad una conferenza tenutasi lo scorso mese di Aprile presso la Columbia University, il fisico teorico Nima Arkani-Hamed dell’Institute for Advanced Study di Princeton, ha discusso alcuni recenti risultati dalle implicazioni contraddittorie relativi agli esperimenti condotti al Large Hadron Collider (LHC).

È tempo di pensare ad una ‘nuova’ fisica?

Qualche secolo fa, gli scienziati andavano affermando che non ci fosse più nulla da scoprire, un pensiero che venne ben presto superato quando agli inizi del XX secolo vennero prima formulati i concetti base della teoria dei quanti, ad opera di Max Planck, e qualche decennio più tardi la teoria della relatività generale, grazie al genio di Albert Einstein. Oggi, dobbiamo dire che tra i fisici non c’è più quell’arroganza anche perché la relatività ci ha fornito un modello estremamente accurato dell’Universo che siamo in grado di osservare. Nonostante ciò dobbiamo tener conto di tutta una serie di altri modelli che tentano invece di spiegare quei fenomeni fisici “invisibili” che rimangono ancora un mistero. Di fatto, il sogno degli scienziati del XXI secolo è quello di riconciliare i due pilastri fondamentali della fisica e cioè da un lato la relatività generale e dall’altro la meccanica quantistica (vedasi Idee sull’Universo). Ma allora, è forse giunto il momento di introdurre un cambiamento radicale a partire dalle questioni più fondamentali? Vedremo nei seguenti paragrafi quali sono i temi fondamentali che i fisici stanno oggi discutendo e quali potrebbero essere i passi successivi verso una comprensione più profonda dei fenomeni naturali. 

Materia scura, siamo sulla ‘soglia’ di una scoperta?

Sono passati più di 2000 anni dai tempi in cui l’uomo si chiedeva di cosa siamo fatti, di che cosa è fatto l’Universo che circonda. Abbiamo pensato che tutto ciò che brillasse intorno a noi, sia sulla Terra che nello spazio, costituisse tutta la materia presente nell’Universo. Ma gli scienziati hanno scoperto che non è tutto ciò che brilla nella luce che caratterizza l’Universo piuttosto ciò che si nasconde nell’oscurità. C’è quindi un problema: il contenuto di tutta la materia visibile nell’Universo è solo il 4-5% circa. Dov’è tutto il resto? Si ritiene che la cosiddetta materia scura contribuisca a circa il 23% del contenuto materia-energia dell’Universo, anche se gli scienziati non hanno idea di che cosa si tratti dato che non è possibile osservarla direttamente (per questo motivo è stata definita con l’aggettivo “scura”). Dunque, come possiamo rivelarla e, se un giorno saremo in grado di farlo, che tipo di informazione ricaveremo sulla natura dell’Universo?

LHC, che cosa hanno osservato ATLAS e CMS?

Lo stesso giorno in cui è stato tenuto il seminario del 4 luglio al CERN di Ginevra sulla presentazione degli ultimi dati raccolti tra il 2011 e il primo semestre del 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS, i media si sono veramente scatenati riportando la “scoperta della particella di dio”, ovvero del bosone di Higgs. C’è da dire che è stata fatta tanta confusione soprattutto tra i non addetti ai lavori e molti siti web e blog si sono, come dire, fregiati della notizia senza badare molto a ciò che è stato effettivamente detto o rivelato, fatta eccezione per qualche blog. Dunque, facciamo un pò d’ordine a distanza, ormai, di qualche settimana. 

L'importanza di essere, o non essere, il bosone di Higgs

A distanza di qualche giorno dal seminario tenutosi il 4 luglio al Cern di Ginevra sulla presentazione dei dati raccolti tra il 2011 e il 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS presso LHC e che hanno portato alla scoperta di una nuova particella (vedasi questo post), ci si interroga sulla possibilità che si tratti, o meno, proprio del bosone di Higgs oppure di una particella più esotica che appartiene, invece, ad una fisica che ancora non conosciamo.