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lunedì 25 marzo 2013

La natura ama nascondersi

E' con questa citazione da Eraclito che Franco Reseghetti inizia la sua conferenza sul bosone di Higgs presso il Liceo scientifico Cavalleri di Parabiago, dove sono tornato molto volentieri, su invito di Giovanni Guido, che ho sostituito per le prime tre settimane di scuola, per ascoltare quello che il ricercatore aveva da raccontare ai ragazzi. Visto che ero impegnato contemporaneamente a Rho (la conferenza si è tenuta venerdì 22 marzo), al Liceo Majorana per le lezioni, ho ascoltato la seconda delle due conferenze in programma.
Si inizia con alcune citazioni significative, partendo dal grande Galileo e da un passaggio tratto da Contro il portare la toga:
Perché, secondo l'opinion mia, a chi vuol una cosa ritrovare, bisogna adoperar la fantasia, e giocar d'invenzione, e 'ndovinare
L'importanza della citazione sta proprio nel sottolineare come, a dispetto di quel che si crede, per comprendere come la natura funzioni è necessaria una certa dose di inventiva e di fantasia. In fondo per risolvere dei problemi, siano essi tecnici o matematici, è necessario cercare di inventare nuovi metodi per arrangiare i dispositivi di rilevazione (quando non costruirli da zero!) o combinare tecniche di calcolo matematiche apparentemente differenti una dall'altra.
D'altra parte il lavoro dello scienziato è anche un certosino esame di tesi e ipotesi in modo da stabilire, con la migliore approssimazione possibile, quello che sta avvenendo, come ben riassume sir Arthur Conan Doyle per bocca del suo ben noto personaggio, Sherlock Holmes:
It is an old maxim of mine that when you have excluded the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.
Tratta dal racconto L'avventura del diadema di berilli (The Adventure of the Beryl Coronet) è emblematica proprio dell'atteggiamento con cui porsi di fronte al bosone di Higgs, la cui esistenza era ritenuta da molti impossibile, ma che alla fine si è rivelato, per quanto improbabile, piuttosto reale!
Reseghetti, ad ogni, modo, nonostante sia visibilmente stanco, cerca di tenere desta l'attenzione (cosa in ogni caso difficile quando si sta parlando a diciottenni che vengono ad ascoltarti soprattutto per dovere e non per scelta) e sembra quasi che voglia riprendere gli studenti quando, a un certo punto, dopo un attimo di silenzio da parte sua, dice qualcosa del tipo:
Come capite che io sono qui e che vi sto parlando di fisica?
Attraverso la vista e l'udito: sono queste le timide risposte e sono questo il genere di interazioni che ci permettono di sperimentare e interagire con il mondo circostante. Ed è proprio lo studio delle interazioni fondamentali uno dei punti più importanti dell'indagine fisica.
Oggi siamo in grado di classificare le interazioni in quattro grandi famiglie di forze: la forza gravitazionale, descritta grazie alla teoria della relatività generale di Einsten, la forza elettromagnetica e le forze nucleari forte e debole, tutte descritte dalla matematica del modello standard. Ed è proprio al modello standard che ci si deve rivolgere quando si cercano di interpretare le interazioni tra le particelle elementari: quando due particelle, infatti, si avvicinano una all'altra, interagiscono tra loro attraverso lo scambio di un bosone messaggero, quello che Reseghetti chiama sms. In un certo senso, se classicamente l'interazione era una non meglio definita interazione a distanza tra due particelle, con la meccanica quantistica può essere interpretata come lo scambio di informazioni tra le particelle che interagiscono, informazioni che a loro volta vengono trasportate da particelle-messaggeri dette bosoni. E per ogni interazione esistono diversi tipi di bosoni, così come ogni particella elementare può essere classificata in una famiglia differente in base al tipo di interazioni che è in grado di ricevere, ovvero in base al tipo di sms che è in grado di interpretare, proseguendo con questa analogia.
Il quadro del modello standard, però, si fonda su alcuni concetti fondamentali, primo fra tutti quello di simmetria. Una simmetria è una qualunque trasformazione dello spazio che muove o trasforma gli oggetti che lo compongono. Ogni trasformazione, però, è di simmetria se lascia invariato nella forma un qualche oggetto, per cui ogni oggetto di un dato spazio può presentare delle simmetrie differenti: ad esempio l'asse centrale del nostro corpo è, con buona approssimazione, il nostro asse di simmetria per quel che riguarda lo scambio destra-sinistra. L'importanza della simmetria, in fisica, però, non viene stabilita dalla sua definizione, ma dalle ricadute che la simmetria ha nel mondo fisico e dimostrate inequivocabilmente da quello che Reseghetti definisce come il teorema di fisica più importante degli ultimi 90 anni: il teorema di Noether. Esso stabilisce che nel caso in cui un sistema fisico esibisca una data simmetria, allora a quella simmetria potrà essere associata una quantità il cui valore risulterà costante nel tempo. Questo vuol dire che cercare le grandezze invarianti di un sistema fisico fornisce informazioni sulle simmetrie presenti e sulle stesse leggi che regolano il sistema studiato. E sono ancora più interessanti i meccanismi di rottura della simmetria, perché da questi emerge un sistema che presenta delle simmetrie a volte anche completamente differenti. E' proprio su un meccanismo di questo genere che si fonda il campo di Higgs e il meccanismo associato, che permette di fornire una massa alle particelle elementari presenti nel modello standard e altrimenti a massa nulla.
Queste cose, però, sono state spiegate in tutte le salse (vedi, ad esempio, il mio post dedicato allo storico annuncio), ciò che invece Reseghetti è riuscito a portare è l'ultima novità in assoluto: la conferma che il bosone scoperto e annunciato a luglio 2012 è proprio quello previsto da Higgs e soci(1), e questo grazie alla migliorata statistica che ha permesso di ridurre l'eccesso apparente di eventi dovuti al decadimento $H \rightarrow \gamma \gamma$.
E' interessante, però, osservare l'analogia utilizzata da Reseghetti per spiegare la rottura di simmetria: immaginiamo una roulotte che ruota in un senso e la pallina che corre sul suo bordo nel senso opposto alla rotazione. Fino a che la pallina non inizia a rallentare la pallina può cadere in uno qualsiasi degli scomparti numerati e quindi il sistema può essere considerato simmetrico. Quando però la pallina inizia a rallentare, allora ci saranno alcune caselle che saranno avvantaggiate rispetto alle altre e questo vuol dire che la simmetria precedente si è rotta (o ha iniziato a rompersi fino alla rottura completa nel momento in cui la pallina ha scelto il numero sul quale cadere).


Anteprima dei possibili siti del nuovo acceleratore: immagini tratte da "Feasibility of an 80km tunnel project" (pdf)
Questo risultato, però, è stato possibile solo grazie alla costruzione dell'LHC, acceleratore di particelle ad anello del diametro di 27 Km (che si vorrebbe aumentare a 80 Km in un progetto che si chiama, al momento, HE_LHC e che si spera possa essere approvato per il 2022), ed è sulla descrizione della tecnologia che gravita intorno all'LHC che sta forse la parte più stupefacente della presentazione: ad esempio l'energia massima che LHC raggiungerà dopo la manutenzione sarà equivalente, per esempio, all'energia contenuta in 15Kg di cioccolato al 90%; o ancora la quantità di CD necessari per immagazzinare i dati prodotti (dell'ordine dei 20 milioni); o ancora tutta la tecnologia sviluppata per gestire questi stessi dati e smistarli agli elaboratori di tutto il mondo fino ai computer dei ricercatori; senza dimenticare la fatidica domanda: ma quanto ci è costato tutto questo?
La cifra totale si aggira intorno ai 7 miliardi di euro in 10 anni, che equivale all'1% della spesa mondiale in pubblicità o all'1% della manovra finanziaria approvata dal governo statunitense per salvare le banche subito dopo l'inizio della crisi economica. In tutto questo l'Italia contribuisce per un 12% del bilancio totale, circa 800 milioni di euro in 10 anni, corrispondente a circa 13 euro delle nostre tasse a testa in 10 anni finiti per finanziare questo filone di ricerca, che poi è quello per cui si spende di più. Ciò che però fa ancora più spavento dei dati messi così, è la spesa fatta dall'Italia per l'acquisto in blocco e in un'unica soluzione di una quindicina di caccia F35.
E poi, quando c'è da tagliare, ricerca e scuola sono sempre quelle che pagano prima...

(1) Attenzione! E' lo stesso CMS su twitter che, in realtà, afferma che si è avuta la conferma che il bosone scoperto è un bosone di Higgs, ma questo non taglia minimamente fuori l'ipotesi che sia solo il primo di una lunga serie di bosoni, previsti da altre teorie. E che questo sia solo il primo di una serie lo pensano in molti, a partire dai componenti singoli dei due esperimenti principali, come ad esempio Mark Kruse di ATLAS o anche Albert De Roeck di CMS. A questi due si aggiunge anche Pauline Gagnon con un esplicito riferimento a un bosone di Higgs.
D'altra parte, se i risultati di CMS riportano l'eccesso di eventi nel canale $\gamma \gamma$ a un effetto statistico
ATLAS continua a osservare ancora un eccesso di eventi in tale canale
Per capire se, però, quanto osservato da ATLAS è un effetto di qualcosa di fisicamente importante o dovuto a una statistica ancora insufficiente solo la ripresa degli esperimenti dopo lo stop di due anni potrà dirlo.
Ad ogni modo, per i più curiosi, maggiori dettagli su Updated measurements of the Higgs boson at 125 GeV in the two photon decay channel, preprint caricato qualche giorno fa sui server del CERN e il poster di ATLAS firmato Andrea Gabrielli.

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