L'attesa era cresciuta in maniera spasomodica negli ultimi giorni: tra i siti di divulgazione scientifica, blog di scienziati e social newtork, la notizia che il bosone di Higgs, la fantomatica particella di Dio, avesse per la prima volta dato segni di vita negli esperimenti condotti con il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, ha messo in fermento la comunità scientifica mondiale. Non è la prima volta che avviene una simile "fuga di notizie". Ma oggi, 13 dicembre, nella conferenza stampa organizzata dai responsabili degli esperimenti ATLAS e CMS, è arrivata la conferma: gli esperimenti hanno individuato tracce dell'esistenza del bosone di Higgs, la cui massa è stimata intorno ai 125 GeV (gigaelettronvolt). Una massa significativa, come ci si aspettava, anche se pochi avrebbero scommesso su questo valore. La certezza arriverà solo con i nuovi esperimenti, che termineranno alla fine del 2012. Ma i segnali individuati infondono molto ottimismo.

Il bosone svelato

A presentare al folto pubblico di esperti e giornalisti i risultati dei due esperimenti, ancora una volta due italiani: Fabiola Giannotti dell'esperimento ATLAS e Guido Tonelli per CMS. L'Italia aveva firmato, solo un paio di mesi fa, un'altra scoperta-shock nella fisica delle particelle, quella secondo cui i neutrini viaggerebbero più veloci dei fotoni; una conferma, casomai ce ne fosse bisogno, della vivacità della fisica italiana erede di Enrico Fermi ed Emilio Segrè. I due hanno chiarito che le tracce che portano al bosone di Higgs hanno un grado di affidabilità che varia tra i 2.4 e i 3.8 sigma a seconda del livello di riferimento: nel linguaggio statistico usato dagli scienziati, si tratta di un grado ancora piuttosto basso per poter parlare di una vera e propria scoperta. Per intenderci, la scoperta sui neutrini superluminali ha un 6 sigma di affidabilità statistica.

Ma perché il bosone di Higgs è così essenziale al modello standard, al punto da essere stato battezzato “la particella di Dio”? Perché, se esistesse, confermerebbe le teorie della fisica oggi accettate e dimostrerebbe che, nei primi istanti dopo il Big Bang, tutte le forze della fisica erano parte di un'unica, grande superforza. Il bosone di Higgs, per dirla altrimenti, confermerebbe l'ipotesi di una "Teoria del Tutto".

Le quattro forze fondamentali

Da quando esiste la fisica, si è cercato di ricondurre tutti i suoi diversi fenomeni e meccanismi a una grande teoria unificata. Nella metà del XIX secolo James Maxwell scoprì che il magnetismo e l’elettricità, due importanti fenomeni fisici apparentemente distinti, potevano essere spiegati utilizzando un’unica teoria, che rivela l’esistenza di un’unica grande forza, detta elettromagnetica, capace di spiegare un po’ di tutto: dal funzionamento della luce a quello del suono, del magnetismo e delle cariche elettriche presenti negli atomi – elettroni e protoni – tramite le quali gli atomi possono unirsi in molecole, andando a costituire la materia. Quando i fisici accertarono la possibilità di far ricadere tutti questi fenomeni, che appaiono diversi ai nostri sensi, all’interno di un’unica cornice teorica, iniziarono a chiedersi se quest’unificazione non fosse possibile anche per altre forze. Difatti, ne erano state scoperte altre, nel frattempo: quella gravitazionale, a tutti ben nota e quotidianamente sperimentata, e altre due assai più sfuggenti.

La prima, detta forza nucleare forte, responsabile del legame tra i quark – i costituenti ultimi dell’atomo – e tra i protoni e i neutroni; la seconda, detta forza nucleare debole, responsabile del decadimento radioattivo, che avviene allorquando alcune particelle, prese singolarmente, si rivelano incapaci di mantenersi stabili, frantumandosi in altre particelle diverse: per esempio, il neutrone, lasciato a se stesso, dopo poco decade in un protone, un elettrone e un antineutrino. In pratica, oggi sappiamo che esistono quattro forze. La cosa appare sospetta: quattro è un numero molto piccolo, e se anche voi ragionaste come molti fisici teorici trovereste molto probabile che, una volta riassunti tutti i fenomeni fisici conosciuti all’interno di soli quattro modelli teorici, esistono buone possibilità di ricondurle tutte a un’unica, sola teoria. D’altronde, la scoperta di Maxwell sull’elettromagnetismo sembrava un promettente inizio.

Verso la grande unificazione della fisica

Negli anni ’60 del secolo scorso si scoprì così che elettromagnetismo e forza nucleare debole sono connesse. La cosa era strana, perché mentre l’elettromagnetismo è una forza che agisce su scale cosmiche, la forza debole ha un raggio d’azione limitato al nucleo atomico! Tuttavia, nel frattempo era stata elaborata la teoria dei quanti, che spiega i fenomeni fisici facendo ricorso ai quanti, particelle “virtuali” che veicolano una forza: le quattro forze fondamentali, cioè, sarebbero prodotte dall’interazione tra le particelle che compongo la materia e i quanti. I fotoni, i quanti della forza elettromagnetica, sono privi di massa, e quindi sono capaci di estendere la portata della forza elettromagnetica in ogni parte dell’universo; viceversa, poiché il raggio d’azione della forza nucleare debole è tanto scarso, i quanti responsabili di tale forza dovevano essere molto massicci. Tre fisici, Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam, proposero che la forza debole fosse veicolata da due quanti, battezzati W (in realtà espressione di due particelle, una positiva e l’altra negativa) e Z con massa molto grande, tra gli 80 e i 90 GeV.

I fisici teorizzarono che fotoni, particelle W e Z, fossero parte della stessa forza, una cosa ammissibile però solo accettando che W e Z avessero in realtà massa zero, come i fotoni. Apparentemente, non è così. Ma i tre fisici non si persero d’animo: secondo loro, in origine W e Z avrebbero davvero avuto massa zero, ma avrebbero poi acquisito una massa superiore in seguito all’interazione con un campo di forza costituito da un’altra particella, che in onore di colui che per primo l’aveva teorizzata, Peter Higgs, fu chiamata “bosone di Higgs” (il termine bosone è un altro modo per indicare tutte quelle particelle che veicolano le quattro forze fondamentali, perciò anche i fotoni e le particelle W e Z sono bosoni).

Nel 1983, gli acceleratori allora disponibili al CERN di Ginevra verificarono che, al crescere dell’energia, elettromagnetismo e forza debole diventavano due facce della stessa medaglia. Furono così osservati sperimentalmente i bosoni W e Z e confermata la teoria. La scoperta di quella che fu poi battezzata “forza elettrodebole” rinforzava la convinzione che fosse possibile scoprire una Teoria del Tutto, capace di unificare le quattro forze fondamentali. Ora ne restavano tre: elettrodebole, nucleare forte e gravitazionale. La forza nucleare forte è stata spiegata facendo ricorso a ben otto tipi di bosoni, generalmente noti come “gluoni”, che tengono insieme i quark e hanno massa zero. Tutta questa famiglia di bosoni – fotoni, gluoni, W e Z, e i “gravitoni”, che veicolano la forza gravitazionale ma non sono mai stati osservati – spiegherebbe tutto ciò che avviene nell’universo. Si parla perciò di “modello standard” per definire l’attuale stato delle conoscenze riguardo le forze fondamentali: il modello standard è capace di spiegare, ricorrendo ai diversi bosoni sopra descritti, il funzionamento delle forze.

Tuttavia, il modello standard contiene diversi parametri indeterminati, cioè dei valori che non sono spiegabili: perché le particelle – non solo i bosoni, ma anche i fermioni, come i protoni, gli elettroni e i neutroni – hanno quelle masse e non altre? Potremmo accettare quei valori come “scesi dal cielo” e non pensarci più. Ma agli scienziati l’idea non è piaciuta, e così hanno iniziato a cercare una teoria capace di spiegare quei parametri. Peter Higgs propose che tutte le particelle fossero in origine prive di massa, e che l’avessero acquistata interagendo con un campo che pervade tutto l’universo: quanto più le particelle interagiscono con il campo (“si accoppiano” con esso), tanto più sono massicce. Il fotone non interagisce affatto, restando perciò privo di massa; invece, l’elettrone interagisce di più, i quark – che compongono protoni e neutroni – un po’ di più dell’elettrone, e così anche i bosoni W e Z.

La particella di Dio

In natura non osserviamo niente di tutto ciò, ma poiché l’esperimento del 1983 ha insegnato qualcosa ai fisici, Higgs sostenne che alle alte energie dei primissimi istanti dopo il Big Bang (un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo appena dopo la nascita del cosmo) tutte le particelle fossero prive di massa: in questo modo, tutta la grande famiglia delle particelle ricadrebbe in un’unica categoria, e il bosone di Higgs farebbe la differenza. Per scoprire se esiste, bisogna pertanto spingere gli acceleratori fino a raggiungere le energie di quei primi istanti dell’universo: un compito che solo LHC, acceso per la prima volta l’anno scorso, può realizzare. E ciò in quanto il bosone di Higgs avrebbe una massa enorme, che spiegherebbe perché non è stato ancora osservato. Nella conferenza di oggi, il grande range teorico all’interno del quale Higgs può trovarsi è stato ristretto a una fascia cha varia tra i 120 e i 130 GeV, superiore dunque alla massa del protone di circa 122 volte.

Quasi sicuramente, c’è qualcosa laggiù, a un livello di 126 GeV: qualcosa che potrebbe essere il bosone di Higgs. Tali le aspettative, che non c’è da sorprendersi se giornalisticamente ci si riferisca all’elusiva particella con il pretenzioso nome di “particella di Dio”. Chiariamoci, anche se sarà davvero scoperta non avremo ancora la Teoria del Tutto: per averla dovremo riuscire a unire la forza elettrodebole/forte descritta dal modello standard con la forza gravitazionale, che sembra non voler avere nulla da spartire con le altre forze. E questo perché Einstein l’ha descritta come l’effetto di una distorsione della geometria dello spazio-tempo e non, quantisticamente, come l’effetto dell’interazione con un bosone. Ma certo, se il bosone di Higgs esistesse, tanti parametri che fino a oggi abbiamo dato per scontati avrebbero una spiegazione, e la convinzione che sia possibile spiegare tutto attraverso una sola, definitiva teoria acquisterebbe credito. Svelare la mente di Dio, per usare le parole di Stephen Hawking, potrebbe presto essere possibile.