Niente metafisica, ma molto bosone per tutto

Finalmente se ne può parlare! Dopo tanto “rumore” per l'atteso annuncio della scoperta del bosone di Higgs, rumore che è sempre dannoso per la scienza, poiché si introducono elementi ad essa completamente estranei, è ora venuto il momento di raccontare con una certa accortezza la storia di questa bella scoperta della fisica, coronata dal successo sperimentale dopo più di quarant'anni!

Qual è il problema? Quando salite su una bilancia, essa segna – per esempio – che la vostra massa è di 70 Kg (magari, per chi scrive, un po' di più...). Cosa vuol dire questo numero? Senza andare troppo per il sottile, questo significa molto semplicemente che, se sommate le masse di tutti gli atomi del vostro corpo, ottenete la massa totale, i 70 Kg di sopra. Per i più puristi, ciò non è strettamente vero, poiché una parte dell'energia – sotto forma di massa – di tutti gli atomi del vostro corpo, che ne sono all'incirca un milione di miliardi di miliardi, 10²⁴ in notazione scientifica, viene spesa come energia di legame per tenere insieme gli atomi tra di loro. Nel seguito, però, possiamo certamente trascurare questo effetto.

Ora, potreste allora chiedervi perché un atomo di carbonio – per esempio – ha una massa di circa 20 miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di Kg. Anche qui, la risposta è molto semplice: sempre nella stessa approssimazione di sopra, la massa dell'atomo di carbonio, come quella di tutti gli altri atomi, è data dalla somma della massa degli elettroni e del nucleo dell'atomo, composto da protoni e neutroni. Il gioco si può allora ripetere ancora una volta (anche se, in verità, l'approssimazione funziona molto meno), poiché protoni e neutroni sono a loro volta costituiti da altre tre particelle, i quark. Qui, però, il gioco finisce: per quanto ne sappiamo, infatti, elettroni e quark sono particelle elementari, ossia non ulteriormente scomponibili (in senso lato). Da cosa è data, allora la loro massa?

Il problema è molto vecchio, risalendo alla fine del XIX secolo, e fu ravvivato dopo poco che Einstein aveva scoperto che la massa non è altro che una forma diversa di energia, in grado di compiere lavoro (come, per esempio, avviene in una centrale nucleare: una parte della massa del nucleo di uranio viene spesa per fornire energia che serve, poi, a compiere il lavoro necessario per far ruotare una turbina). Per un elettrone o per un quark, che sono particelle cariche elettricamente, si può ipotizzare che la loro massa sia dovuta alla loro energia elettromagnetica.

Se prendete una sferetta carica elettricamente, questa presenta una inerzia maggiore di quella dovuta solo alla sua massa, ovvero maggiore di quella di una identica sferetta, ma elettricamente neutra (ossia è più “difficile” spostarla, come se pesasse di più): questa osservazione è alla base dell'idea che la massa delle particelle elementari sia di natura elettromagnetica. Essa, però, è sostanzialmente sbagliata, in quanto elettroni e quark non si comportano affatto come delle sferette estese, ma come se fossero particelle puntiformi, la cui energia elettromagnetica non corrisponde affatto alla loro massa (a stretto rigore, sarebbe addirittura infinita!).

L'idea, tuttavia, non è completamente assurda: di sbagliato c'è solo ritenere che il ruolo fondamentale sia svolto dal campo elettromagnetico generato dalle dette particelle. Come fu capito intorno agli anni '60 dello scorso secolo, il meccanismo giusto per spiegare la massa di elettroni e quark e, quindi, di tutta la materia esistente, non si basa su tale campo e sulla particella che permette l'interazione elettromagnetica (ovvero il fotone), bensì sull'ormai famoso bosone di Higgs, una forma di energia diversa da quella elettromagnetica, ma con caratteristiche analoghe.

Il meccanismo di Higgs per dare massa ad una particella fu “ispirato” da un analogo fenomeno scoperto nei superconduttori, materiali nei quali, in certe condizioni (al di sotto di una “temperatura critica”), la corrente elettrica scorre come se non incontrasse alcuna resistenza. La differenza sostanziale che distingue i superconduttori da mezzi normali, come un filo di ferro, e che spiega le proprietà caratteristiche degli uni e degli altri, è la seguente. Un atomo di un mezzo normale interagisce con gli atomi suoi vicini inviando segnali elettromagnetici, ovvero un'onda elettromagnetica (come, ad esempio, la luce) o, più appropriatamente, emettendo un fotone (la particella elementare responsabile della luce). Tale fotone si propaga nel mezzo normale esattamente come si propagherebbe nel vuoto, ossia con una velocità uguale a quella della luce, un fatto di cui si tiene conto, nella teoria della relatività, dicendo che il fotone ha massa nulla. Solo particelle con massa nulla, infatti, possono propagarsi alla velocità della luce, e viceversa. In un superconduttore, gli atomi interagiscono tra loro alla stessa maniera, ma il fotone emesso viaggia nel superconduttore con una velocità minore di quella della luce, ovvero – in questo mezzo – il fotone ha acquistato una massa diversa da zero. Tale massa ridiventerebbe nulla se il fotone uscisse dal superconduttore: il fenomeno è una caratteristica di tali materiali.

Come è possibile che ciò avvenga? La spiegazione che, personalmente, trovo più semplice ma, allo stesso tempo, più accurata e illuminante, è quella che fu fornita nel 1993 a Lord Waldegrave, membro del governo britannico guidato dal primo ministro John Major. Immaginate di trovarvi ad una festa, con molti invitati distribuiti casualmente in una grande sala, ognuno dei quali parla con quelli più vicini a lui. Ad un certo punto, entra il primo ministro e attraversa la sala: intorno a lui (o a lei) si forma un gruppetto di persone. Man mano che avanza, il gruppetto di persone cambia (quelle che si lascia dietro ritornano a parlare tra di loro, mentre quelle avanti si avvicinano al primo ministro), ma esso è sempre presente fin quando rimane in sala. A causa di tale gruppetto di persone, il primo ministro si muove più lentamente, e per lui è più difficile fermarsi quando già si sta muovendo, ovvero è più difficile mettersi in movimento quando si era fermato. Proprio come se la sua massa fosse aumentata... Questo è – più o meno – quanto avviene in un superconduttore: il reticolo di atomi del mezzo fungono da “invitati”, e la “star” che entra simula la particella che “acquista” massa. Senza ricorrere ai superconduttori (in cui, ancora, il ruolo fondamentale è giocato dal campo elettromagnetico), l'essenza del meccanismo di Higgs è presto spiegata: nell'intero Universo, fin da qualche istante dopo il Big Bang, un campo diverso da quello elettromagnetico, il campo di Higgs (l'analogo del reticolo di atomi o di invitati) fu prodotto, le cui “distorsioni” provocate dal passaggio di una qualunque particella che interagisce con esso fornisce una massa alla particella stessa.

Cosa è, dunque, un bosone di Higgs? Ricorrendo alla stessa analogia di sopra, immaginate ora che in quella sala piena di invitati, da una porta su uno dei suoi lati, vi sia un tizio che comunichi una certa notizia agli invitati. Quelli vicini alla porta si avvicinano per udire i dettagli, ma poi si rivolgono agli altri prossimi a loro che vogliono pure sapere della notizia, che così si diffonde in tutta la sala. Tale diffusione può avvenire in due modi: o la notizia si diffonde contemporaneamente in tutte le direzioni, oppure si formano dei piccoli gruppetti che propagano la notizia lungo una certa linea, che va dalla porta fino al lato opposto ad essa. In quest'ultimo caso, come avveniva sopra per il primo ministro, che proprio grazie al raggruppamento di persone “acquistava massa”, il gruppetto di persone che ora trasmette la notizia ha esso stesso una massa diversa da zero, che permette alla notizia di propagarsi solo con una certa velocità. Tale gruppetto di persone è allegoria del bosone di Higgs, una particella con una certa massa che, tramite il meccanismo descritto sopra, applicato per esempio all'interazione che vi è tra il bosone di Higgs ed elettroni o quark, riesce a fornire massa proprio a questi costituenti fondamentali di tutta la materia che ci circonda. Quanto scoperto al CERN di Ginevra è proprio l'esistenza diretta di tale bosone, che ha una massa circa 130 volte più grande di un protone.

Niente di metafisico, dunque, ma solo l'ultimo anello mancante che serviva per confermare definitivamente la visione del mondo che si era cominciata a delineare più di quarant'anni or sono. Ma le sorprese non si concluderanno certo con questa scoperta. Come si dice in questi casi: rimanete sintonizzati sulla fisica!

S. Esposito, fisico