LEZIONE QUARTA
PARTICELLE

Dentro l’universo descritto nella lezione precedente, si muovono la luce e le cose. La luce è costituita di fotoni, le particelle di luce intuite da Einstein. Le cose che vediamo sono fatte di atomi. Ogni atomo è un nucleo con intorno elettroni. Ogni nucleo è costituito da protoni e neutroni, impacchettati stretti. Tanto i protoni che i neutroni sono fatti di particelle ancora più piccole, che il fisico americano Murray Gell-Mann ha battezzato «quarks», ispirandosi a una parola senza senso in una frase senza senso – «Three quarks for Muster Mark!» – che appare nel Finnegans Wake di James Joyce. Tutte le cose che tocchiamo sono fatte quindi di elettroni e di questi quarks.

La forza che tiene incollati i quarks all’interno dei protoni e dei neutroni è generata da particelle che i fisici, con poco senso del ridicolo, chiamano «gluoni», dall’inglese glue, colla. In italiano si tradurrebbe «colloni», ma fortunatamente usano tutti il nome inglese.

Elettroni, quarks, fotoni e gluoni sono i componenti di tutto ciò che si muove nello spazio intorno a noi. Sono le «particelle elementari» studiate dalla fisica delle particelle. A queste particelle se ne aggiungono alcune altre, per esempio i neutrini, che pullulano per l’universo ma hanno poche interazioni con noi, e il bosone di Higgs, rilevato recentemente a Ginevra, nella grande macchina del CERN, ma in tutto non sono molte. Meno di una decina di tipi di particelle. Una manciata di ingredienti elementari che si comportano come le tessere di un LEGO gigantesco con cui è costruita tutta la realtà materiale attorno a noi.

Il modo in cui queste particelle si muovono e la loro natura sono descritti dalla meccanica quantistica. Queste particelle non sono quindi veri sassolini, sono piuttosto i «quanti» di corrispondenti campi elementari, così come i fotoni sono i «quanti» del campo elettromagnetico. Sono delle eccitazioni elementari, di un substrato mobile simile al campo di Faraday e Maxwell. Sono minuscole ondine che corrono. Che spariscono e ricompaiono secondo le strane regole della meccanica quantistica, dove ciò che esiste non è mai stabile; non è che un saltare da un’interazione all’altra.

Anche se osserviamo una regione vuota dello spazio, dove non ci siano atomi, vediamo lo stesso un pullulare minuto di queste particelle. Non esiste vero vuoto, che sia completamente vuoto. Come anche il mare più calmo visto da vicino ondeggia leggermente e freme, così i campi che formano il mondo fluttuano a piccola scala, e possiamo immaginare le particelle di base del mondo, continuamente create e distrutte da questo fremere, vivere brevi effimere vite.

Questo è il mondo descritto dalla meccanica quantistica e dalla teoria delle particelle. Lontanissimo oramai dal mondo meccanico di Newton e Laplace, dove minuscoli sassolini freddi vagavano eterni lungo traiettorie precise di uno spazio geometrico immutabile. La meccanica quantistica e gli esperimenti con le particelle ci hanno insegnato che il mondo è un pullulare continuo e irrequieto di cose, un venire alla luce e uno sparire continuo di effimere entità. Un insieme di vibrazioni, come il mondo degli hippy degli anni Sessanta. Un mondo di avvenimenti, non di cose.

I dettagli della teoria delle particelle sono stati costruiti lentamente durante gli anni Cinquanta, Sessanta e Settanta del Novecento. Vi hanno partecipato i grandi fisici del secolo, come Feynman e Gell-Mann, e tra essi una nutrita pattuglia di italiani. Il risultato di questa costruzione è una teoria intricata, basata sulla meccanica quantistica, che porta il nome poco araldico di «modello standard delle particelle elementari». Il «modello standard», messo a punto negli anni Settanta, è stato confermato da una lunga serie di esperimenti che ne hanno verificato tutte le previsioni. Fra i primi vi sono le misure che nel 1984 hanno fruttato il premio Nobel al nostro (attualmente) senatore Carlo Rubbia. L’ultima conferma è venuta con la rivelazione del bosone di Higgs nel 2013.

Ma nonostante la lunga serie di successi sperimentali, il modello standard non è mai stato preso completamente sul serio dai fisici. È una teoria che almeno a prima vista ha l’aria rappezzata e raccogliticcia. È fatto di vari pezzi ed equazioni messi insieme senza un chiaro ordine. Un certo numero di campi (perché proprio questi?) che interagiscono tra loro con certe forze (perché proprio queste?), ciascuna determinata da certe costanti (perché proprio questi valori?) che rispettano certe simmetrie (perché proprio queste?). È lontano dall’aerea semplicità delle equazioni della relatività generale e della meccanica quantistica.

Anche il modo stesso in cui le equazioni del modello standard danno previsioni sul mondo è assurdamente involuto. Usate direttamente, queste equazioni portano a previsioni insensate, dove ogni quantità calcolata risulta essere infinitamente grande. Per avere risultati sensati bisogna immaginare che i parametri che entrano in esse siano a loro volta infinitamente grandi, in modo da controbilanciare i risultati assurdi e dare risultati ragionevoli. Questa procedura involuta e barocca si chiama con il termine tecnico di «rinormalizzazione»; funziona nella pratica, ma lascia in bocca un sapore amaro per chi vorrebbe che la natura fosse semplice.

Durante gli ultimi anni della sua vita, Paul Dirac, il più grande scienziato del XX secolo dopo Einstein, grande architetto della meccanica quantistica e autore della prima e principale equazione del modello standard, ha espresso ripetutamente la sua scontentezza per questo stato di cose: «Non abbiamo ancora risolto il problema» diceva.

C’è poi un difetto vistoso nel modello standard. Attorno a ciascuna delle galassie, gli astronomi osservano gli effetti di un grande alone di materia, che rivela la sua esistenza per la forza gravitazionale con cui attira stelle e devia la luce. Ma questo grande alone, di cui osserviamo gli effetti gravitazionali, non riusciamo a vederlo direttamente, e non sappiamo di cosa sia fatto. Sono state studiate molte ipotesi, ma nessuna sembra funzionare. Che ci sia qualcosa, sembra oramai evidente, cosa sia, non lo sappiamo. Oggi la chiamiamo «materia oscura». Sembra proprio trattarsi di qualcosa che non è descritto dal modello standard, altrimenti la vedremmo. Qualcosa che non è né atomi, né neutrini, né fotoni...

Non è sorprendente che ci siano più cose in Cielo e in Terra, caro lettore, di quante ne sogni la nostra filosofia; e la nostra fisica. In fondo, fino a pochi anni fa neppure sospettavamo l’esistenza delle onde radio o dei neutrini, che pure riempiono l’universo.

Il modello standard resta il meglio di quanto sappiamo dire oggi sul mondo delle cose, le sue predizioni sono tutte state confermate, e a parte la materia oscura – e la gravità, descritta dalla relatività generale come curvatura dello spaziotempo – descrive assai bene tutti gli aspetti del mondo che vediamo. Teorie alternative sono state proposte, ma sono state demolite dagli esperimenti.

Per esempio una bella teoria proposta negli anni Settanta, chiamata col nome tecnico di SU(5), sostituiva le equazioni scompaginate del modello standard con una struttura assai più bella e semplice. La teoria prevedeva che il protone potesse disintegrarsi con una certa probabilità, trasformandosi in particelle più leggere. Grandi macchine sono state costruite per vedere i protoni disintegrarsi. Diversi fisici, anche italiani, hanno dedicato la vita a cercare di osservare un protone che si disintegra. (Non si guarda un protone alla volta, perché ci mette troppo tempo a disintegrarsi. Si prendono tonnellate d’acqua e si mettono intorno sensibili rivelatori dei prodotti della disintegrazione). Ma ahimè, nessun protone è stato mai visto disintegrarsi. La bella teoria SU(5), per quanto elegantissima, non deve essere piaciuta al buon Dio.

La storia si sta ripetendo ora con un gruppo di teorie chiamate «supersimmetriche», che prevedono l’esistenza di una nuova classe di particelle. Durante tutta la mia vita di fisico ho ascoltato colleghi che si aspettavano con grande sicurezza di vedere queste particelle l’indomani. Sono passati giorni, mesi, anni, decenni, ma per ora non sono apparse. La fisica non è sempre una storia di successi.

Restiamo con il modello standard. Non sarà elegantissimo, ma funziona benissimo, descrive il mondo intorno a noi. E chissà, forse a ben guardare non è lui a non essere elegante: forse siamo noi che non abbiamo ancora imparato a guardarlo dal punto di vista giusto per comprenderne la nascosta semplicità.

Per adesso, questo è quello che sappiamo della materia. Una manciata di tipi di particelle elementari, che vibrano e fluttuano in continuazione fra l’esistere e il non esistere, pullulano nello spazio anche quando sembra non ci sia nulla, si combinano assieme all’infinito come le venti lettere di un alfabeto cosmico per raccontare l’immensa storia delle galassie, delle stelle innumerevoli, dei raggi cosmici, della luce del sole, delle montagne, dei boschi, dei campi di grano, dei sorrisi dei ragazzi alle feste, e del cielo nero e stellato la notte.