Una settimana fa ho dichiarato tutto il mio entusiasmo per la scoperta della particella Z0 avvenuta al CERN nel 1983 e l'ho definita un trionfo. In quella scoperta una teoria fisica, il Modello Standard, ha dimostrato di non essere soltanto un immenso sforzo di immaginazione scientifica, ma di afferrare anche alcuni aspetti della realtà e di saperci rivelare qualcosa di nuovo sul mondo.
È passato un quarto di secolo, siamo di nuovo al CERN, è di nuovo in corso un grande esperimento, al quale partecipano migliaia di ricercatori, per controllare la validità di un'altra previsione del Modello Standard: l'esistenza del bosone di Higgs. Se fossimo stati fortunati e un certo magnete non fosse esploso, oggi avremmo potuto trovarci a commentare l'avvenuta scoperta del bosone di Higgs. Pazienza. Ci tocca aspettare. Ma il risultato che aspettiamo oggi e che speriamo di sentire annunciare di qui a un anno al massimo non avrà comunque lo stesso sapore di quello del 1983.
Il Modello Standard è la teoria migliore che abbiamo oggi per spiegare i fenomeni che avvengono alla scala dei costituenti dell'atomo (elettroni e nuclei) o del nucleo stesso (protoni e neutroni e, al loro interno, i quark). Questa teoria descrive con grande precisione il comportamento delle particelle elementari (o di quelle che oggi consideriamo elementari...): appunto gli elettroni e altre cinque particelle appartenenti tutte al gruppo dei leptoni, i quark (in tutto sei), gli antileptoni e gli antiquark, e infine le particelle che permettono a leptoni e quark di interagire fra loro (fra le particelle di interazione c'è anche la Z0). Un quadro delle particelle previste dal Modello Standard è riprodotto nell'immagine qui riportata, tratta da Wikipedia. Il Modello Standard è matematicamente molto sofisticato, fornisce previsioni molto accurate e nessun esperimento ha mai portato a conclusioni definitive in contrasto con esso. Ma, come dice la volpe al Piccolo Principe: Niente è perfetto...
Perché le equazioni del Modello Standard diano risultati in accordo con gli esperimenti, bisogna supporre che tutte le particelle elementari abbiano massa uguale a zero. Questo, ovviamente, è falso. Un elettrone ha una massa di 9,11∙10-31 kg: piccola, ma decisamente diversa da zero. Una particella Z0, poi, è circa centomila volte più pesante di un elettrone. Come risolvere la contraddizione? I teorici hanno trovato un modo soltanto per salvare le equazioni del Modello e attribuire allo stesso tempo alle particelle le masse corrette.
Bisogna supporre l'esistenza di un'ulteriore particella, il bosone di Higgs. L'interazione fra il bosone di Higgs e le altre particelle produce un effetto che i nostri esperimenti interpretano attribuendo una massa diversa da zero alle particelle stesse. Gli aspetti matematici sono a posto e in ordine. Il problema è soltanto che nessuno ha mai visto lo Higgs.
Questo è l'obiettivo di LHC, il Large Hadron Collider appena costruito al CERN, o almeno uno degli obiettivi principali: vedere lo Higgs. Le energie necessarie sono enormi. I fenomeni da osservare hanno una durata brevissima e devono essere ricostruiti in base a fenomeni successivi che ne sono le conseguenze, magari seguendo particelle che rimangono osservabili per un paio di milionesimi di secondo -- un'eternità, a questi livelli. In queste condizioni, scoprire finalmente Higgs sarebbe un grande successo.
Ma non credo che potrei definirlo un trionfo. La reazione della comunità scientifica alla scoperta di Z0 è stata all'incirca: Wow, ma allora c'era davvero! Stupore misto a orgoglio. La reazione alla notizia che Higgs c'è ed è stato osservato sarebbe, più probabilmente: E ci mancava anche che non ci fosse... Potremmo parlare di sollievo per lo scampato pericolo.
La differenza è importante e ha un grande significato per comprendere come procede la ricerca scientifica. Venticinque anni fa il Modello Standard era una novità audace, la cui importanza doveva ancora essere dimostrata. Oggi è una vecchia storia, confermata da centinaia di esperimenti, usata dai ricercatori nei calcoli di ogni giorno. Una giovane teoria che prevede un fatto nuovo è la sensazione del momento; una teoria ormai consolidata che fornisce risultati corretti non emoziona più nessuno: al primo risultato sbagliato verrebbe abbandonata senza pietà. Se Higgs non ci fosse, il Modello Standard dovrebbe ammettere la sconfitta e liberare il campo. La scoperta del bosone di Higgs non sarebbe un trionfo: sarebbe un salvataggio in extremis.
In un certo senso, la vera scoperta sarebbe che Higgs non ci fosse. Avremmo scoperto che il Modello Standard è sbagliato e la Natura sfida di nuovo la nostra immaginazione. Come in un videogame, saremmo passati al livello successivo. Questa è una caratteristica straordinaria della ricerca scientifica. Nei videogames si passa al livello successivo quando si superano tute le difficoltà del livello precedente. In fisica si sale di livello quando si riesce finalmente a trovare una difficoltà insuperabile. Il fallimento di tutte le nostre migliori teorie è il tipo di scoperta più importante di tutte. Dopo i trionfi e i salvataggi, sono le catastrofi.
Una famosa catastrofe risale alla fine dell'Ottocento. All'epoca le leggi dell'elettromagnetismo e della termodinamica classica sembravano capaci di descrivere tutti i fenomeni osservabili. Ma studiando le previsioni di quelle teorie nel caso di una cavità mantenuta a una temperatura costante -- un forno, in pratica -- si scoprì che la teoria prevedeva che il forno avrebbe dovuto emettere una quantità di energia infinita sotto forma di raggi X e gamma. L'ultima volta che ho controllato il grado di cottura della torta non sono stato incenerito dalle radiazioni. Quindi la teoria è sbagliata. Si parla, per motivi tecnici, di catastrofe ultravioletta delle legge di Rayleigh-Jeans. Per risolverla, Planck e Einstein hanno dovuto inventare la teoria quantistica e cambiare la faccia della fisica.
Che io sappia, l'ultima catastrofe nella fisica ha soltanto undici anni. È così recente che non abbiamo ancora avuto il tempo di rendercene conto e in molti casi continuiamo a fare come se nulla fosse. Ma nel 1998 un gruppo di ricerca sulle supernove di tipo Ia ha scoperto un fatto sconcertante: l'espansione dell'Universo sta accelerando.
Sfogliate un libro di astronomia nel quale l'inchiostro abbia avuto il tempo di asciugarsi. Vi leggerete che l'Universo ha avuto origine dal Big Bang circa una dozzina di miliardi di anni fa; e che, da allora, è andato sempre espandendosi. Secondo la teoria classica del Big Bang, l'espansione può andare avanti indefinitamente oppure arrestarsi a un dato istante e cambiare verso, trasformandosi in un collasso. Ma, in ogni caso, l'espansione avviene a una velocità sempre minore. La forza di gravità che le galassie esercitano le une sulle altre deve rallentare il moto di fuga che le porta le une lontano dalle altre.
Invece no, a quanto pare. La velocità con la quale le galassie si allontanano fra loro è andata aumentando.
Perché? Non lo sappiamo. La teoria migliore che abbiamo in proposito parla di energia oscura, o energia del vuoto, o costante cosmologica. Non sappiamo come mai questa costante abbia il valore che sembra avere: se proviamo a calcolarla a partire dalle nostre teorie attuali, troviamo che il valore risulta 10120 volte più grande del giusto. Possiamo dire in tutta onestà che questa è la previsione più sbagliata della storia della fisica.
Quello che sappiamo è che, se l'energia oscura esiste,essa costituisce il 72,6% del contenuto di massa ed energia dell'Universo. Un altro 22,8% sarebbe costituito dalla materia oscura, un altro mistero che ha a che fare con il fatto che le galassie stiano insieme, invece di disintegrarsi in stelle sotto l'effetto della propria stessa rotazione. La materia ordinaria, quella di cui siamo fatti noi, la Terra, le cose che vediamo e conosciamo, costituisce appena il 4,6% dell'Universo. Se il Modello Standard è destinato a sopravvivere, dovrà però rassegnarsi al ruolo di "teoria del 4 per cento". Questa è la percentuale dell'Universo che possiamo dire di conoscere. Sul resto ci sono soltanto scommesse -- pardon, ipotesi di lavoro.
Come vedete, c'è molto da fare. Smettela di star lì a leggere questa roba e studiate sul serio: abbiamo bisogno di tutti voi per scoprire di cosa è fatto l'Universo!
Per approfondire:
Un video del Cassiopea Project sul Modello Standard: