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.

I temi 'oscuri' della cosmologia

Il modello cosmologico standard, detto Lambda-CDM, si basa su 6 parametri che concordano con i dati osservativi. Nonostante sia alquanto semplice, il modello presenta delle stranezze poichè esso implica che la maggior parte della materia nell’Universo è presente sottoforma di materia scura, costituita da un tipo di particella subatomica che non è stata ancora rivelata in laboratorio, e che la maggior parte dell’energia associata allo spazio vuoto è presente invece in una forma di energia scura. L’esistenza di queste enigmatiche e oscure componenti richiede la necessità di utilizzare alcune estensioni del modello standard delle particelle elementari, come ad esempio la supersimmetria, e indicano che la relatività generale viene meno su scale cosmologiche. Una volta John Archibald Wheeler andava riassumendo così la “geometrodinamica”, come egli preferiva chiamare la teoria della relatività: “lo spaziotempo dice alla materia come muoversi e la materia dice allo spaziotempo come curvare”. I cosmologi osservano il moto degli atomi, sia nella forma di gas che di stelle, oppure seguono le traiettorie della luce che si propaga nello spazio per derivare la sua geometria. Queste misure della curvatura dello spaziotempo vengono utilizzate per determinare indirettamente la distribuzione totale della materia e dell’energia. Ma il fatto più importante è che ad oggi la materia ordinaria, cioè la materia visibile composta dagli atomi, rappresenta solamente il 5 percento del contenuto materia-energia dell’Universo.

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.

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. 

SUSY, idee alternative per una nuova fisica

Dopo che gli ultimi esperimenti realizzati al Large Hadron Collider (LHC) non hanno portato alla scoperta di quelle particelle la cui esistenza è prevista dalla teoria, la fisica sembra ritornare ad uno “scenario da incubo”. Era il 1982 quando il fisico lettone Mikhail Shifman fu attratto da una teoria elegante, nota come supersimmetria, che tentava di descrivere tutte le particelle elementari note in un nuovo e più completo quadro dell’Universo. “I miei articoli produssero un vero e proprio entusiamo all’epoca”, afferma Shifman, oggi professore di fisica all’età di 63 anni presso l’Università del Minnesota. Nel corso degli anni, egli assieme ad altre migliaia di fisici hanno sviluppato tutta una serie di ipotesi e modelli consapevoli che gli esperimenti avrebbero confermato l’esistenza della supersimmetria. “Nonostante ciò, la natura non sembra mostrarsi favorevole, almeno non nella sua forma più semplice”, afferma Shifman.

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.