Particelle elementari, in un battito di ciglia

Se noi dovessimo immaginare l’origine delle particelle elementari che ci compongono, seguendo un rapido battito di ciglia?

Potremmo iniziare in questo modo: abitiamo da sempre in un pianeta pieno d’acqua, in una galassia molto lontana.

Noi mammiferi abbiamo fatto una prima comparsata nel Giurassico, prima c’erano rettili del carbonifero e ancor prima gli anfibi del Devoniano.

Con il tempo e le meraviglie dell’evoluzione noi esseri umani abbiamo acquisito intelligenze. Ne abbiamo di diverse, e le sfoggiamo quando serve. O almeno ciò è ciò che si spera, al di là del credo o meno nell’operato del grande orologiaio che ci ha creato così belli, e complessi. In molti sensi.

Così, iniziando ad applicare le nostre abilità e il nostro estro creativo sono nate le arti, le opere scritte e orali e il nostro genio ha continuato a lasciare traccia anche nelle scienze.

Le leggi della fisica, in particolare, hanno dato ampio sfoggio della loro bellezza e complessità. Il particolare c’era l’origine del movimento a dare un po di filo da torcere ai fisici dell’antichità.

Beh, il movimento era piuttosto difficile da inquadrare, poiché pur seguendo le regole e le leggi matematiche che lo governavano esso veniva studiato partendo da un mezzo piuttosto denso e fluido: ovverosia l’acqua. Poi arrivò il lavoro di Newton e il materiale di cui è la nostra Terra è ricca non fu più un problema.

Grazie all’entropia in cui navighiamo, nacquero nuovi e affascinanti problemi che diedero ai fisici nuove idee. Loro, appassionati com’erano, dopo tante fatiche e cercando di eseguire gli studi nel dettaglio, riuscirono sempre a stupire il pubblico e la società scientifica a cui appartenevano. Probabilmente il loro segreto era racchiuso nella sapienza di “isolare” gli elementi singolarmente, conoscendoli in ogni piccolo atomo, per poi studiarli secondo la corretta progettazione empirica che vi era a monte.

Questi signori si resero anche conto di una cosa piuttosto importante. Per poter avere una certa uniformità nel descrivere della Natura, il mondo reale dovrebbe essere, come dire,  costruito partendo da componenti elementari di massa nulla. Perché? Beh, le equazioni per le particelle di massa nulla, fra cui le equazioni di Maxwell, le equazioni di Yang-Mills e le equazioni della relatività generale di Einstein sono oltreché simmetriche, particolarmente affascinanti.

Possono creare un’enorme quantità di simmetria locale! Ma qui è bene fare qualche chiarimento prima di precedere oltre. Si dice che una grandezza è simmetrica rispetto a una trasformazione, o che presenta simmetria quando essa non varia per effetto della sua trasformazione. Qui nello specifico, questo tipo di simmetria viene detta locale quando permette che le sue trasformazioni siano operate in modo indipendente in punti e tempi diversi. Si può anche sottolineare che la simmetria locale, insieme alla teoria quantistica, sia la base delle teorie essenziali delle quattro forze (forza forte, forza debole, elettromagnetismo, gravità) che riassumono l’attuale conoscenza delle leggi fondamentali della natura.

Purtroppo, sebbene il nostro élan vitale sia naturalmente spinto verso l’infinito e le sue leggi universali, molto spesso accade di dover fare i conti con la realtà dei fatti…Il nostro desiderio di comprensione e di bellezza si scontra con quel punto dolente che è così difficile da oltrepassare: la massa delle  particelle elementari.

Ad esempio? i bosoni W e Z, che mediano le interazioni deboli, hanno una massa considerevole. Questo è il motivo per cui le interazioni deboli sono a corto raggio e la loro azione è scarsa alle basse energie. Però c’è da riconoscere una cosa: la loro massa è sconcertante dato che, per altri aspetti, i bosoni W e Z sembrano molto simili ai fotoni. Come è possibile spiegare questo punto?

Il comportamento dei fotoni viene influenzato dalle proprietà del materiale in cui si muovono: esempio diretto è il cambiamento della natura della luce mentre viaggia attraverso il vetro o l’acqua. Questo fenomeno, che vede la luce diventare un po più lenta del solito è – per certi versi – analogo (eseguendo una buona approssimazione) all’acquisizione di inerzia da parte della luce.

Poco meno conosciuto al grande pubblico è il comportamento dei fotoni nei superconduttori. Una particella dotata di massa si comporta seguendo le stesse equazioni matematiche che descrivono l’andamento dei fotoni in un superconduttore.

Il dire superconduttori spesso e volentieri lascia pensa alla particella di Dio: il Bosone di Higgs. L’essenza del meccanismo messo a punto da Higgs è l’idea che “lo spazio vuoto”, ovverosia lo spazio privo di particelle e radiazione, sia in realtà ricco di un mezzo materiale capace di rendere massivi i bosoni W e Z. Quale e come potrebbe essere questo materiale?

Prima di tutto deve agire sui bosoni W e Z producendo masse a una scala molto grande, perché le masse di W e Z nello spazio (non) vuoto sono all’incirca 10^16 volte quelle dei fotoni nei superconduttori. Negli anni i fisici hanno fatto appello al meccanismo di Higgs e non hanno avuto brutti colpi, riuscendo a cavalcare l’onda del successo. Hanno previsto il comportamento dei bosoni W e Z, sapendo creare delle misurazioni di precisione per loro che hanno una bella massa, a partire dalle belle equazioni valide per le particelle che invece ne sono prive. Un po come quando si cerca di creare un vestito che sappia evidenziare le curve ad una donna che, per natura, non ha delle forme facili da valorizzare. In questo modo abbiamo una tesi convincente a favore dell’esistenza dell’Oceano Cosmico.

Di fatto, nessuna sostanza a noi nota potrebbe rilevarsi in questo “oceano cosmico” perché i quark, i leptoni, i gluoni e le altre particelle non hanno le proprietà giuste per comporlo. Serve qualcosa di nuovo, ed è difficile percorrere le migliaia di proposte presenti nel mare magnum della fisica teorica. Forse però da qualcosina si può partire.

Nei vari moduli delle possibilità logiche c’è un modello minimale, piuttosto semplice, in cui il materiale cosmico si compone da un solo “ingrediente”, la particella di Higgs. Tutte le sue caratteristiche sono prevedibili una volta che ne si conosce la massa.

Ma come si forma questa particella?

La materia ordinaria tende a non accoppiarsi alla particella di Higgs H, che viene prodotta dai gluoni.

E’ come se ai nostri occhi i gluoni  (che sono unità minime, o quanti del fluido dei gluoni) sembrino essere un po timidi e inibiti nel momento in cui non si accoppiano direttamente con la particella di Higgs: il loro è un atto puramente quantistico. E come ben si ricorda, la caratteristica principale della meccanica quantistica è che alcune “particelle virtuali” si rendano visibili, come fluttuazioni spontanee che nascondo e muoiono senza che vi siano effetti discernibili, a parte la loro influenza sul comportamento delle particelle reali presenti nelle loro immediate vicinanze. Ecco spiegato il modo più efficiente di arrivare alla particella di Higgs partendo dalla collisione di due gluoni (che “iniettano” energia in una coppia virtuale formata da un quark top  e un antiquark antitop) provenienti a loro volta da due protoni. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in “energia pura”, in altre parole si trasformano in una varietà di particelle e corrispondenti antiparticelle che spaziano dalla coppia di due fotoni fino al duetto neutrino-antineutrino. Questo tipo di esperimenti ebbe origine nel tunnel del Large Electron-Positron Collider (il padre del LARGE ADRON COLLIDER) del CERN, dove si studiava l’annichilazione di elettroni e positroni diretti in direzioni opposte.

Si può arrivare a dire che il campo di Higgs riempe lo spazio partendo dalla simmetria di rotazione fra le direzioni delle cariche di colore presenti. Cioè?

Nella percezione umana del colore ogni colore percepito si può riprodurre, seguendo la regola della mescolanza dei tre colori di base: per esempio il roso, il verde e il blu. Le intensità di questi colori primari sono descritte da tre numeri reali e ogni combinazione corrisponde ad un colore percepito. Come suggerisce il Nobel per la fisica (2004) Franck Wilczek, noi possiamo interpretare queste triplette come coordinate di uno spazio dei colori percepiti, dotato di tridimensionalità. Un discorso molto simile vale quando si parla di equazioni fondamentali che descrivono un pezzo di magnetite. In questo caso, ogni direzione scelta è equivalente alle altre. Il pezzo forma un magnete, ma al suo interno le direzioni non sono equivalenti.

Ogni magnete ha una sua polarità e deve essere usato come un ago di una bussola. Il ‘come’ si rompa o vada persa la simmetria di rotazione è semplice, ma profonda. Basta ricordarsi il principio di funzionamento del magnete, dove ci sono forze che tendono ad allineare lo spin degli elettroni con quello degli elettroni vicini. Proprio in risposta di queste forze, gli elettroni devono scegliere la direzione in cui puntare. Della scelta non ne andrà la verificabilità delle forze e delle equazioni che le descrivono. Ma è comunque un punto su cui riflettere il fatto che le soluzioni stabili delle equazioni abbiano meno simmetria delle equazioni stesse.

La teoria essenziale della forza debole ricorda che c’è una simmetria di rotazione fra le direzioni nello spazio delle cariche di colore debole che si rompono spontaneamente a causa dell’esistenza del campo di Higgs che riempie lo spazio.

Quindi, sulla scia delle equazioni delle forze fra elettroni che spingono lo spin di elettroni vicini ad allinearsi in direzionalità, le equazioni in questione spingono il campo di Higgs ad allineare le sue direzioni nello spazio delle proprietà deboli in punti vicini dello spaziotempo.  Se viene scelta una direzione comune, la simmetria di rotazione (nello spazio delle proprietà deboli) si rompe spontaneamente.

Sono queste idee ad aver dato una descrizione ottimale di quella che viene definita forza debole, e capaci di aver creato una strada di previsione dell’esistenza della particella di Higgs, allargando così l’analisi fisico-teorica a gruppi di simmetria ancora più grandi, al di là della Terra fino ai confini dell’Universo e delle sue leggi che tanto affascinano e tanto rivendicano in termini di studio e dedizione.

 

LH

P.s. Questa vignetta era troppo bella per non essere condivisa:-)

higgs-boson-comics

 

 

 

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