Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Il Cern a caccia di particelle strane nell’Universo Subnucleare, Famiglia Cristiana, 31/10/2004 Tra ricercatori, ingegneri, specialisti, informatici e amministrativi, tenuto conto che ci sono migliaia di scienziati che vanno e vengono, le dimensioni del Cern (Consiglio europeo per le ricerche nucleari) sono quelle di una città con 7 mila persone. Ho avuto il privilegio – cinquant’anni fa – di vincere il concorso per entrare a far parte del più potente gruppo di Fisica Sperimentale d’Europa, diretto da Patrick M.S. Blackett, Grande Ammiraglio della marina britannica e Lord, premio Nobel per avere scoperto nei raggi cosmici la produzione simultanea di elettroni e antielettroni. Nel gruppo di Blackett era stata fatta nel 1947 la più inaspettata scoperta del secolo scorso: le particelle strane. Così chiamate in quanto totalmente inaspettate. La Fisica Subnucleare ha le radici in questa scoperta, che ha avuto nelle attività del Cern il suo battesimo e la sua completezza esistenziale. I padri del Cern usarono, per la sigla di questa grande impresa europea, il termine «nucleare» in quanto nessuno negli anni cinquanta del secolo scorso avrebbe immaginato che le potenti forze nucleari non fossero di natura fondamentale. Oggi sappiamo che esse sono effetti secondari di una forza, essa sì fondamentale, quella «subnucleare». una forza che agisce nel cuore delle particelle nucleari, di cui il protone (metà del nostro peso è dovuto ai protoni) e il neutrone (l’altra metà del nostro peso è dovuto ai neutroni) sono gli esempi a noi più familiari in quanto oltre il 99% della massa di qualsiasi creatura o cosa, una rondine, un fiore, il mare, le montagne è fatto con protoni e neutroni. Accade però che nell’interno di ciascuna di queste particelle c’è un universo totalmente diverso dal nostro. Appunto l’universo subnucleare, fatto con particelle cui si dà il nome di quark e con otto tipi di colla subnucleare detti gluoni. Siamo arrivati a capire che avevamo tra le mani un «nuovo mondo», l’universo subnucleare, piano piano, usando le «macchine» del Cern la cui energia aumentava negli anni. Quando proviamo a scaldarci le mani strofinandole l’un l’altra, le energie in gioco sono pochi centesimi di un’unità cui si dà il nome di elettronVolt (simbolo eV). La prima «macchina» del Cern aveva un’energia pari a 600 milioni di elettronVolt. Poi venne quella da 28 miliardi di eV, cui seguì il Collisionatore Isr, da 62 miliardi di eV. Si è quindi passati a due supermacchine, Sps e Lep, che hanno superato i precedenti livelli d’energia. La macchina in costruzione, Lhc, avrà un’energia di 16 mila miliardi di eV. Perché questa corsa verso energie sempre più elevate? La logica di tutte le macchine subnucleari è la stessa e ha le radici nel fatto che massa ed energia si possono trasformare l’una nell’altra. Quando una pietra sta ferma, la sua energia dovuta al moto (cinetica) è zero. La sua massa-a-riposo può essere (ad esempio) trecento grammi. Se la lanciamo con forza, essa acquisterà una massa-di-moto che dipende dall’energia totale della pietra. Ad essa partecipa sia l’energia cinetica sia la massa-a-riposo iniziale. Due Ferrari una contro l’altra Il discorso della massa-di-moto vale per qualsiasi particella dotata di massa-a-riposo. Ad esempio, se partiamo da elettroni fermi, e li portiamo ad altissima velocità, la loro massa-di-moto può diventare centomila volte più grande della massa-a-riposo di partenza. Lo abbiamo fatto con la macchina Lep, prima citata.  come se, partendo con un’auto leggerissima, avente massa-a-riposo di appena trecento chili, la si potesse spingere a una velocità tale che la sua massa-di-moto diventasse trenta milioni di chili. Supponiamo di avere due Ferrari ferme. Lanciamole a grande velocità: ciascuna acquista un’energia totale che corrisponde a una massa-di-moto pari a centomila volte la massa-a-riposo di partenza. A cosa serve questa massa-di-moto? Risposta: se portiamo le due Ferrari a interagire (e cioè a scontrarsi frontalmente), nell’urto si concentra una massa-di-moto totale pari a duecentomila Ferrari. In questo urto è possibile «produrre» cose totalmente diverse dalle Ferrari di partenza. Cose, la cui massa-a-riposo è decine di migliaia di volte superiore alle masse-a-riposo delle due Ferrari di partenza. Le cose totalmente diverse possiamo immaginarle come fossero navi, treni, grattacieli. Cose cioè che non esistevano prima che le due Ferrari si scontrassero ad altissime velocità. Sta qui la chiave per scoprire cose che non esistono nel nostro Universo. Nei nostri laboratori, al posto delle Ferrari, abbiamo elettroni o protoni. Nello scontro di altissima energia tra due particelle la cui massa-a-riposo è piccola, si possono produrre particelle di massa-a-riposo elevata. Nelle interazioni tra particelle è come se riuscissimo (e di fatto riusciamo) a trasformare massa-di-moto in massa-di-riposo per cose che non esistono più nel mondo di bassa energia in cui viviamo; sono esistite solo per pochi istanti dopo il Big Bang. questo il seme logico che sta alla base delle macchine subnucleari, ovunque nel mondo. Le origini del Cern L’Europa era ancora in ginocchio per il secondo tentativo di suicidio politico – meglio noto come Seconda Guerra Mondiale – quando Isidor Isaac Rabi, nel 1950, in una Conferenza dell’Unesco a Firenze, riuscì a fare adottare all’unanimità una risoluzione intesa a dar vita ad una vasta collaborazione tra scienziati Europei. Rabi era colui che aveva aperto a Enrico Fermi le porte della sua prestigiosa Università, la Columbia a New York, e sarebbe poi diventato uno dei più convinti sostenitori del Centro di Cultura Scientifica Ettore Majorana di Erice. Dopo pochi anni, undici Governi Europei decisero di dar vita a un Consiglio Europeo per le Ricerche Nucleari (Cern). La scelta di Ginevra quale sede per questo primo Laboratorio Europeo era scontata: essendo la Svizzera l’unica Nazione per tradizione secolare neutrale e nel cuore dell’Europa. Il primo fisico europeo a proporre un Laboratorio che mettesse insieme le migliori energie intellettuali del vecchio continente fu, nel 1949, Louis de Broglie – Nobel per avere intuito la natura ondulatoria delle particelle – preoccupato della fuga dei cervelli dall’Europa verso gli Stati Uniti. L’Europa scientifica è nata prima di quella politica Il contributo dei pionieri italiani alla nascita scientifica del Cern fu determinante. Ne dobbiamo essere orgogliosi in quanto le ricerche teoriche del Cern sono iniziate sotto la guida del nostro Bruno Ferretti; quelle sperimentali sotto la direzione del nostro Gilberto Bernardini, grazie alle cui idee scientifiche il nascente Laboratorio seppe subito cimentarsi in lavori sperimentali di primo piano nella incipiente competizione scientifica tra Europa e Usa. I padri fondatori che convinsero i governi a dare green-light furono per l’Italia ancora Gilberto Bernardini convinto europeista e primo presidente dell’Infn (Istituto nazionale di fisica nucleare); Rabi per gli Usa, Blackett per l’Inghilterra e Bohr per la Danimarca e altri Paesi Europei. Due parole sui tre stranieri, giganti della Fisica del XX secolo. Rabi: Nobel per avere scoperto l’effetto che porta il suo nome e fondatore della più prestigiosa Scuola di Fisica americana (Columbia, New York). Blackett: Nobel per avere scoperto, col nostro Occhialini, la produzione di antielettroni nei raggi cosmici e fondatore della più potente Scuola di Fisica inglese; nel suo laboratorio fu fatta la più grande scoperta di quei tempi: le particelle «strane». Bohr: padre della Fisica Atomica e Nobel; fondatore della famosa scuola di Copenhagen in cui si cimentarono i più grandi fisici teorici di quei tempi. La creazione del Cern ha permesso all’Europa scientifica di nascere prima dell’Europa politica e di essere oggi in prima linea nello studio delle più avanzate frontiere scientifiche. Il futuro del Cern Il mondo ha proprietà di simmetria e regolarità che vanno oltre il cosiddetto Modello Standard: la sintesi che descrive tutta la realtà che è stata finora posta sotto rigoroso esame. Ci stiamo preparando per capire queste regolarità costruendo la più potente macchina subnucleare del mondo, Lhc (Large Hadron Collider) che - sotto la guida di Robert Aymar - entrerà in funzione nel 2007. Vediamo alcune «regolarità» che cercheremo di capire nel prossimo futuro al Cern. Esempio: noi siamo qui sulla Terra a una temperatura ideale per la vita. Nel cuore del Sole però la temperatura è milioni di volte più elevata. Diamo per scontato che si possano tenere separati livelli diversi di temperatura. una «regolarità» lungi dall’essere scontata. Lo sarebbe se esistesse il Supermondo. Un’altra cosa che vorremmo capire è l’origine delle masse. Un piatto di spaghetti ha bisogno di massa per esistere, eppure le nostre teorie attuali non sanno spiegare l’esistenza di spaghetti con massa. Vorremmo sapere com’era l’Universo miliardi e miliardi di anni fa, pochi istanti dopo il Big Bang. A quei tempi la materia non era come quella a noi familiare; fatta cioè di protoni, neutroni ed elettroni. Un chicco di caffè, il Monte Bianco, il Sole e la Luna sono fatti con queste particelle. Invece noi cercheremo di capire il cosiddetto «plasma di quark e gluoni»: era così l’Universo, allora. Nel nostro mondo i quark e i gluoni esistono solo dentro a protoni e neutroni, mai fuori. Non possono uscire. Quark e gluoni sono eternamente intrappolati dentro a ciascun protone e a ciascun neutrone. Con la nuova macchina del Cern cercheremo di creare un Universo Subnucleare in cui quark e gluoni sono liberi. Quell’Universo è molto piccolo: dai 5 ai dieci Fermi. Un Fermi vale un decimo di millesimo di miliardesimo di centimetro. Però le enormi quantità di spazio, tempo, massa ed energia del nostro universo hanno le loro radici nell’Universo Subnucleare del plasma di quark e gluoni. Radici che studieremo con la macchina Lhc attualmente in fase di avanzata costruzione al Cern. Antonino Zichichi

ANTONINO ZICHICHI FAMIGLIA CRISTIANA