Veduta artistica del campo Brout-Englert-Higgs (Immagine: CERN)
Veduta artistica del campo Brout-Englert-Higgs (Immagine: CERN)
  • Categoria dell'articolo:Curiosità / Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:11 Maggio 2022

Com’è possibile che acqua, vapore e ghiaccio siano la stessa cosa? Cos’è la luce? Perché le stelle brillano? Qual è l’origine e il destino dell’Universo? La risposta a qualsiasi domanda sulla natura sta nel conoscere i “mattoni” indivisibili di cui tutto è fatto.

Continuiamo ad esplorare i “mattoni” del mondo e le leggi che li governano; cioè le forze tra di loro in modo che possano unirsi per formare la materia: noi, le stelle, l’intero universo.

Le 17 particelle elementari conosciute

Conoscerli è l’obiettivo della fisica delle particelle. Questi “mattoni” sono le particelle elementari. Il cosiddetto Modello Standard è la teoria che finora rappresenta la migliore comprensione del mondo subatomico. È un’eredità del 20° secolo e la base della tecnologia moderna.

Nonostante il suo straordinario successo, la teoria nasconde grandi misteri ai quali non sa rispondere. Tuttavia, questo è il modo migliore che i fisici teorici e sperimentali hanno oggi per spiegare di cosa è fatta la materia.

Secondo questo modello, la “tavola periodica” delle particelle elementari è molto più semplice di quella degli elementi chimici. Invece di più di 100 elementi, è composta da soli 17:12 particelle di materia, 4 particelle portatrici di forza e una molto speciale, il bosone di Higgs.

Le particelle di materia sono organizzate in tre famiglie. La prima famiglia è composta da particelle stabili: l’elettrone, i quark “up” e “down” che costituiscono i protoni e i neutroni dei nuclei atomici, e il neutrino elettronico.

La materia stabile che ci circonda è composta da particelle stabili della prima famiglia. Le particelle della seconda e della terza famiglia sono copie “identiche” di quelle della prima, ma più pesanti e più instabili. Si “convertono” rapidamente in particelle della prima famiglia e sono quindi difficili da trovare in natura.

I dati sperimentali indicano che con esattamente 3 famiglie di particelle descriviamo tutta la materia, ma perché 3? 3 è davvero un numero magico?

Potrebbe esserci un intero universo fatto di antimateria

Ognuna di queste particelle ha anche il suo equivalente antiparticellare, identico ma di carica opposta. Ad esempio, l’antiparticella dell’elettrone caricato negativamente è chiamata positrone caricato positivamente. L’atomo anti-idrogeno più semplice è stato creato con le antiparticelle.

Potrebbe quindi esistere un intero universo fatto di antimateria molto simile al nostro.

Sappiamo anche che se mettiamo insieme materia e antimateria, entrambe scompaiono e diventano un’immensa quantità di energia. È anche possibile il processo inverso, l’energia può essere convertita in quantità uguali di materia e antimateria. Se questo è ciò che è successo nel Big Bang, come è sopravvissuta solo la materia nell’universo?

Le forze che li legano

Affinché la materia esista, devono esserci forze che tengono insieme le particelle di materia. Nel mondo subatomico, le forze tra le particelle sono descritte dallo scambio tra loro di altre particelle: il fotone per la forza elettromagnetica che mantiene gli elettroni attaccati al nucleo degli atomi; i bosoni W e Z per la forza debole responsabile della radioattività o che alimenta il sole; e il gluone, il vettore della forza forte che lega i quark all’interno dei protoni e dei neutroni, consentendo anche loro di essere tenuti insieme nel nucleo atomico.

Ma che dire della forza di gravità? Proprio la forza con cui abbiamo più familiarità non sappiamo come descriverla a queste scale quantistiche del mondo subatomico. L’ipotetico gravitone, corrispondente alla forza di gravità, non è stato finora trovato. La gravità è la più “canaglia” delle quattro classi di forza esistenti.

Il campo di Higgs fornisce la massa delle particelle.

L’ultimo pezzo della “tavola periodica” del Modello Standard è il bosone di Higgs. Questa particella è l’eccitazione quantistica del suo campo quantistico, il campo di Higgs. Il bosone di Higgs sarebbe l’equivalente delle “onde” che possiamo creare eccitando “l’acqua” di uno stagno, che sarebbe il campo energetico, lanciando ad esempio un sasso.

Il campo di Higgs permea l’intero Universo, creando una sorta di vuoto appiccicoso. Quando le particelle interagiscono con questo campo, diventano più lente e pesanti. Se le particelle non interagiscono, non hanno massa, sarebbe il caso dei fotoni della luce.

Maggiore è la forza di interazione, più massiccia è la particella. È così che le particelle elementari acquisiscono la loro massa.

Questo è successo molto presto, in molto meno di un secondo dopo il Big Bang. Prima di quell’istante il campo di Higgs era nullo, le particelle non avevano massa e viaggiavano alla velocità della luce. Tutto sarebbe stato molto diverso senza quell’aspetto del campo di Higgs: né atomi, né galassie, né vita si sarebbero formati.

Come sia avvenuta esattamente una transizione così cruciale per l’esistenza dell’universo come lo conosciamo rimane un grande mistero. Tra le cose che non possiamo spiegare c’è anche come i neutrini abbiano preso massa. Secondo il modello non dovrebbero averla, ma ce l’hanno.

Conosciamo solo il 5% dell’universo

Ora, è importante sottolineare che la nostra massa è molto maggiore di quella della somma di tutte le particelle elementari che abbiamo nel nostro corpo, elettroni e quark, che contribuiscono solo per l’1%. Il resto viene dall’energia che tiene insieme i quark nei protoni e nei neutroni dei nostri atomi.

Andiamo ancora oltre: se consideriamo tutta la massa conosciuta, la nostra, quella di stelle, galassie, ecc., questa rappresenta solo il 5% dell’Universo, secondo le osservazioni astronomiche. Il restante 95% è totalmente sconosciuto ed è ciò che chiamiamo materia oscura ed energia oscura.

I microscopi più sofisticati al mondo

Per poter rispondere a tutti gli enigmi ancora da risolvere, dobbiamo spingere la tecnologia al limite, progettando e costruendo esperimenti molto potenti, che devono elaborare e analizzare enormi quantità di dati.

Gli acceleratori di particelle sono i nostri microscopi. Il più potente al mondo, quello con la maggiore energia, è l’acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN, che accelera i protoni a velocità prossime a quella della luce, per farli scontrare in certi punti, circondato da giganteschi rivelatori dalle dimensioni di una grande cattedrale. Queste “fotografie” ad altissima risoluzione, delle particelle che si producono in ogni collisione, forniscono 40 milioni di “foto” al secondo.

Analizzando queste “istantanee” nei minimi dettagli, la scia del bosone di Higgs è stata scoperta negli esperimenti ATLAS e CMS, una pietra miliare importante riconosciuta con il Premio Nobel per la Fisica 2013.

L’LHC e i suoi esperimenti sono ora ancora più potenti, grazie al lavoro tecnologico svolto negli ultimi tre anni da fisici e ingegneri. Ricominceranno ad esplorare nuove frontiere della conoscenza, alla ricerca di risposte ai grandi misteri dell’universo. Questo viaggio verso la conoscenza durerà decenni e richiederà la dedizione di migliaia di scienziati di tutto il mondo che lavorano insieme per decifrare le leggi della natura.

La risoluzione di questi enigmi porterà a una nuova concezione del mondo, con la sua conseguente rivoluzione tecnologica, che potrebbe segnare l’inizio di una nuova era per l’umanità.

Autore

Maria Jose Costa MezquitaIstituto di Fisica Corpuscolare (IFIC-CSIC-UV)