Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

«Three quarks for Muster Mark!». Nel 1964 il fisico statunitense Murray Gell-Mann si ispirò a questa misteriosa frase tratta da FinnegansWake di James Joyce per battezzare i mattoni fondamentali della materia, i quark. La parola cruciale nella frase è la prima, three: tre erano infatti i quark (denominati u, d, s) che, sulla base di una precisa simmetria matematica, riuscivano a spiegare le particelle note all’epoca (a partire da quelle più familiari, come il protone, costituito da due u e un d). Nel giro di qualche anno il quadro si arricchì di nuovi elementi. Nel 1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani – con quella mossa tipica dei fisici teorici che inventano cose che si rivelano poi reali – proposero l’esistenza di un quarto quark, il quark c, caratterizzato da una proprietà quantistica chiamata, con una certa dose di fantasia e di ironia, charm («fascino»). 
La verifica della teoria GIM (come è comunemente nota dalle iniziali degli autori) giunse quattro anni dopo, nel corso della cosiddetta «Rivoluzione di Novembre» del 1974, quando due collaborazioni sperimentali scoprirono – cioè produssero alle macchine acceleratrici – la prima particella dotata di «fascino», la J/psi, contenente il quark c (gli scopritori, Samuel Ting e Burton Richter, furono premiati con il Nobel nel 1976). La peculiarità del c è di essere un oggetto elementare piuttosto pesante, centinaia di volte più degli altri quark, e persino più pesante di un oggetto composto come il protone. In seguito i quark sono diventati definitivamente sei – ai tre di Gell-Mann e al c si sono aggiunti il b (beauty, o bottom) e il t (top), anch’essi di grande massa (quella del top è addirittura mostruosa) – e lo studio dei quark pesanti è diventato uno dei rami più fecondi della fisica delle particelle (chi volesse approfondire questi argomenti può farlo su un ottimo libro di Antonio Ereditato, appena uscito per il Saggiatore). 
Di particelle contenenti il quark c ne sono state scoperte nel frattempo molte altre, ma l’ultima, annunciata qualche giorno fa da LHCb, un grande esperimento del CERN di Ginevra di cui è responsabile Giovanni Passaleva, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è degna di nota, oltre che lungamente attesa. Si tratta infatti di una particella che contiene due quark c, oltre a un quark u. Una particella dal «fascino» doppio, insomma, con una carica elettrica anch’essa doppia e una massa che è circa quattro volte quella del protone. Il suo nome, già pronto prima che venisse scoperta, è Xi (più precisamente «Xi-cc», perché le Xi sono una dozzina): la peculiarità della sua struttura è che il piccolo u si muove nel campo dei due grossi c come un pianeta attorno a una stella binaria, a differenza di quel che accade nelle altre particelle pesanti conosciute, in cui i «pianeti» sono due e la «stella» una. 
L’utilità della Xi e delle altre particelle dotate di «fascino» e di «bellezza» che ancora mancano all’appello sta nelle preziose informazioni che esse forniscono su una delle quattro forze fondamentali della natura, la forza forte, quella che tiene assieme i nuclei e i loro costituenti (protoni e neutroni), e che in definitiva ci dà sostanza e massa. Non bisogna dimenticare infatti che, mentre il famoso bosone di Higgs è responsabile delle masse dei quark, queste rappresentano solo una piccolissima frazione della massa dei corpi ordinari (compresa la nostra). Il 99% di ciò che misuriamo con la bilancia è in realtà energia: l’energia di interazione dei quark, dovuta alla forza forte. Capire come funziona questa forza significa dunque, in ultima analisi, capire un aspetto di noi stessi. La teoria della forza forte, la cromodinamica quantistica (QCD), è potente ed elegante, ma in molti casi non è facile risolvere le sue equazioni. Per ricostruire il protone a partire dai quark, per esempio, bisogna ricorrere a modelli fenomenologici o a stratagemmi di calcolo. Lo studio delle particelle contenenti i quark c e b permette allora di affinare questi metodi e di estendere l’applicabilità della QCD. 
La scoperta della Xi non è eclatante come quella di altre celebri particelle del passato (la stessa J/psi, i bosoni W e Z di Rubbia, il bosone di Higgs), ma non si deve pensare che la fisica proceda saltando da un colpo sensazionale a un altro. C’è una fisica normale e paziente, che verifica nei minimi dettagli anche le teorie consolidate, che effettua misure di precisione, che va alla ricerca di eventi rari e proibiti (come fa LHCb, per comprendere l’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo). La storia, d’altronde, insegna che le novità nascono spesso da piccole crepe nei vecchi edifici. All’inizio del Novecento nessuno poteva immaginare che da misure della radiazione in una fornace, condotte con teutonico rigore per verificare la vecchia termodinamica e la vecchia teoria elettromagnetica, sarebbe scaturita la meccanica quantistica.
Il modo migliore per rendere omaggio ai moderni cacciatori di particelle è ricordare quanto è complicato scoprire una nuova particella. Non è come frugare in una scatola piena di oggetti cercandone uno dalla forma particolare. Particelle come la Xi vivono per un tempo molto breve, disintegrandosi in tanti frammenti – altre particelle più piccole che vengono catturate dai rivelatori. La scatola è piena di cocci, quindi, e i fisici sperimentali devono farne combaciare alcuni ricostruendo l’oggetto frantumato. Ma dato che i cocci possono combaciare anche fortuitamente, per essere sicuri dell’esistenza dell’oggetto in questione bisogna raccogliere tanti mucchietti di pezzi che collimano. Osservando trilioni di urti di protoni, LHCb ha trovato un eccesso di eventi (qualche centinaio) che corrispondono alla disintegrazione della Xi: il picco è bellissimo, da manuale, e la particella con doppio charm è inequivocabilmente là. O meglio, era là, perché è vissuta meno di un milionesimo di milionesimo di secondo: il fascino, si sa, non può durare a lungo.
(Antonio Ereditato, Le particelle elementari, Il Saggiatore, Milano, pagg. 406, € 24)

VINCENZO BARONE