
È di qualche giorno fa la notizia che due ricercatori pugliesi –Antimo Palano e Marco Pappagallo – abbiano fatto un’importantissima scoperta in campo fisico: 5 nuovi tipi di particelle subnucleari. Ma in cosa consiste effettivamente la scoperta? Ci ha aiutati a capirlo il fisico andriese Nicola Paradiso
Quando qualche giorno fa ho appreso della notizia della scoperta, la cosa personalmente mi ha reso felicissimo considerato il progresso scientifico a cui essa contribuisce; e orgoglioso, considerato che gli autori sono due miei conterranei. A parte questo, però, mi sono presto accorto, che di quello che avessero effettivamente scoperto i due, non avevo capito praticamente niente. Leggere qualche articolo trovato on line, poi, non mi ha aiutato affatto.
Per fortuna fra i miei amici di gioventù c’è Nicola Paradiso. Nato ad Andria, laureatosi in fisica all’Università di Pisa, Paradiso ha poi conseguito un dottorato di ricerca presso la Scuola Normale Superiore di Pisa. Dal 2012 è impegnato in un progetto di post-dottorato presso l’Università di Ratisbona, dove tutt’ora fa ricerca e tiene corsi. Così gli ho scritto. Gli ho chiesto se gentilmente poteva aiutarmi a capire cosa effettivamente fosse stato scoperto. Io non solo non so niente di fisica, ma sono anche sostanzialmente impedito in certe cose, eppure lui, forse in nome della vecchia amicizia, ha accettato. Ecco il risultato.
Abbiamo letto che le particelle scoperte sono particelle “subnucleari”. Io nei miei studi di fisica sono arrivato che c’era l’atomo, i protoni, i neutroni, gli elettroni, poi, più piccoli, i neutrini, al massimo i quark. Ma cosa sono invece le particelle subnucleari in questa gerarchia?
Beh, allora sei già a buon punto. Nel tuo elenco alcune particelle sono fondamentali – per quel che se ne sa ora – mentre altre sono composte da più particelle. Per esempio un atomo è fatto di un nucleo di neutroni e protoni con una nuvola di elettroni a svolazzare intorno. Ma anche i neutroni e protoni non sono fondamentali: sono fatti di tre quark ciascuno, due quark up e uno down per il protone e due quark down e uno up per il neutrone.
La nostra comprensione dei mattoni fondamentali della natura si basa finora su una teoria chiamata Modello Standard. Prima di questa teoria, cioè fino agli anni Sessanta, nella fisica delle particelle regnava il caos. Gli esperimenti rilevavano una nuova particella ogni mercoledì, ce n’erano centinaia e non ci si raccapezzava più. Il Modello Standard ha fatto ordine in questo marasma. Le particelle fondamentali sono divise in leptoni [in verde nell’immagine sotto, ndr] e quark [in viola]. I leptoni sono particelle leggere, comprendono per esempio gli elettroni e i neutrini, i quark vanno invece a formare particelle più pesanti. A queste particelle bisogna aggiungere le corrispondenti fatte di antimateria e le particelle che si occupano di far interagire tutte queste [quelle in rosso], più il bosone di Higgs [giallo], l’ultimo arrivato, che dà la massa alle particelle che ne hanno. Come vedi il caos è ridotto a una pratica tabella.
Cosa significa scoprire “5 nuovi tipi di particelle subnucleari”? Perché sono di tipi diversi le particelle subnucleari? In cosa si differenziano?
Le particelle subnucleari sono in generale tutte le particelle che nella gerarchia si trovano al di sotto dei nuclei, come protoni e neutroni. Abbiamo visto che questi ultimi sono fatti di triplette di quark, del tipo up e down, che sono poi gli unici stabili. Però negli esperimenti ad alta energia, o osservando i raggi cosmici, si osservano anche particelle fatte con combinazioni di altri quark, tipo charm, strange, top e bottom. Come puoi vedere dalla tabella ci sono molte possibili combinazioni da tre quark, che so, up-up-charm, strange-charm-up e così via. A ogni tripletta corrisponde una particella composta chiamata barione [dal greco βαρύς (barys) che significa pesante].
Infine bisogna aggiungere che ogni particella può trovarsi in uno stato “di base” di minima energia o in stati “eccitati” di energia più alta. Le cinque particelle scoperte da Palano e Pappagallo sono stati eccitati del barione Omegac0 formato dalla tripletta di quark strange-strange-charm. Lo stato fondamentale di questa particella è stato scoperto nel 1994.
Il Cern ha definito la scoperta “un focolaio di nuovi ed eccezionali risultati di fisica”. Dice che da questa scoperta si potrebbe capire il segreto della forza che fa bruciare le stelle. Ma perché è così importante? Cosa c’entrano le particelle subnucleari con la forza che fa bruciare le stelle?
I comunicati stampa sono spesso un po’ troppo, diciamo, enfatici. La scoperta è senza dubbio notevole e la risonanza mondiale dell’annuncio è del tutto giustificata, soprattutto perché l’aver trovato cinque stati eccitati in un colpo solo ha stabilito un record. Il punto è che ai fisici il Modello Standard non piace. Funziona che è una meraviglia e sono decenni che si campa con quello. Ma è BRUTTO. Forse ti sorprenderà sapere che in Fisica la bellezza è un criterio, ma in realtà è IL criterio. Finora tutte le grandi rivoluzioni in Fisica erano scandite da teorie semplici, eleganti e unificanti. Cioè belle. Come l’equazione di gravitazione universale di Newton, le equazioni dell’elettromagnetismo di Maxwell, l’equazione di campo di Einstein, le equazioni di Schrödinger e di Dirac. Il Modello Standard invece non è bello. Si basa su troppi numeri arbitrari, la teoria è involuta e quella tabella sarà pur stata un passo avanti rispetto al caos precedente, ma resta pur sempre una tabellata di particelle.
Come i greci nelle difficoltà consultavano gli oracoli, così i fisici per risolvere le difficoltà teoriche devono interrogare la Natura, il nostro unico oracolo. In molti casi interrogare la Natura, cioè eseguire un esperimento, è persino più difficile che navigare fino a Rodi. E spesso la risposta della Natura è persino più sibillina, ma è l’unico mezzo che abbiamo per estendere quello che sappiamo. In questo senso la scoperta di Palano e Pappagallo fornisce alla teoria ben cinque input quantitativi. La loro analisi teorica permetterà di capire meglio come i quark sono legati all’interno dei barioni e la loro reciproca correlazione, la quale sembra giocare un ruolo fondamentale nel descrivere stati ancora più esotici come i pentaquark.
Come si scoprono questo genere di cose? Perché c’è bisogno del Cern per questi esperimenti?
Il problema è che la maggior parte delle particelle della nostra tabella NON è stabile. Sono troppo energetiche e decadono in breve tempo in uno stato di energia più bassa, per esempio emettendo fotoni o trasformandosi in una particella stabile. Per questo motivo noi siamo fatti di quark up e down, cioè neutroni e protoni. Viceversa, se si sparano particelle ordinarie le une contro le altre a energie altissime il risultato della collisione è una pioggia di particelle esotiche in tutte le direzioni. Il problema è che per dare a un protone o un elettrone l’energia di una zanzara occorre spingerlo con il buon vecchio elettromagnetismo. Serve un campo elettrico e un sacco di spazio per poter fornire abbastanza energia. Di qui l’esigenza di un tunnel di 27 Km come l’LHC.
Uno dei due ricercatori autori della scoperta, Marco Pappagallo, ha detto che “il bosone di Higgs fu teorizzato quarant’anni prima rispetto all’esperimento che poi l’ha individuato. In questo caso è l’esatto contrario: ciò che è stato osservato non era stato previsto. Adesso dovrà essere la fisica teorica a darci una spiegazione”. Puoi spiegarci cosa significa? Che rapporto c’è fra fisica teorica e sperimentale? Cioè cosa aspetta adesso alla fisica teorica?
A dire il vero, la Fisica è la Fisica, sono i fisici che si dividono il lavoro in teorici e sperimentali. Tutte le rivoluzioni importanti in Fisica sono partite dall’osservazione empirica. Ma può anche accadere che una intuizione teorica venga poi confermata dall’osservazione.
Un esempio del rapporto fra teoria ed esperimento viene proprio da un cugino del barione Omegac0, cioè il barione Omega–. Quando negli anni cinquanta si stavano scoprendo decine di particelle i fisici erano abbastanza sconcertati da questo proliferare di particelle arbitrarie. L’oracolo stava parlando in maniera sibillina. Poi Murrey Gell-Mann tirò fuori la sua teoria che sosteneva che i barioni si dovessero organizzare in un certo schema, simile alla tavola periodica degli elementi. Però nella tavola mancava un elemento [quello all’apice della piramide rovesciata nella figura sotto, ndr], non ancora scoperto. Ma lo schema prediceva già alcune caratteristiche della nuova particella, come la massa. Nel 1964 la particella fu effettivamente scoperta e spinse Gell-Mann a proporre il suo modello a quark, che è oggi a fondamento del Modello Standard. Come vedi gli esperimenti guidano la teoria, la quale predice nuovi fatti i quali motivano nuovi esperimenti. Esattamente come al tempo di Galileo.
Ai fisici piacerebbe molto trovare una teoria elegante con cui rimpiazzare il Modello Standard, e in realtà ne sono state ideate diverse. Il problema è che una teoria, quantunque bella, deve andar d’accordo con l’esperimento, altrimenti finisce diritta nel cestino. In molti campi della fisica (teoria delle stringhe, gravità quantistica, cosmologia) è quasi impossibile effettuare esperimenti per provare le decine di teorie esistenti, che quindi proliferano senza controllo, senza possibilità pratica di essere falsificate. A te che sei filosofo la cosa suonerà ben poco Popperiana. La teoria delle particelle e delle interazioni fondamentali è molto vicina a questo limite (infatti c’è bisogno di cose come un LHC). Per questo la scoperta di Palano e Pappagallo è preziosa: contiene una, anzi cinque forti indicazioni per testare il modello esistente o provare a metter su una teoria che vada oltre quello che pensiamo di sapere. L’oracolo ha parlato.
Mi sconcerta constatare quanto è piccolo l’uomo nella natura.sa