Il 10 dicembre 2003 a Stoccolma la consegna dei Nobel. Tra i premiati François Englert e Peter W. Higgs

Marco (non riportiamo il cognome per motivi di riservatezza scientifica) è un fisico teorico pinerolese. Formatosi a Torino (laurea e dottorato), ha poi iniziato a lavorare in ’Italia (Lecce e Bari) e poi in Europa (Francia, Svizzera, Belgio). Attualmente vive e lavora tra Parigi, Bruxelles e Ghent. Spesso torna al CERN dove ha ottenuto importanti risultati sull’interazione tra i neutrini ed i nuclei. Di tanto in tanto torna a Torino per confrontarsi ancora con chi gli ha insegnato la fisica e a Pinerolo per rivedere la famiglia e gli amici di sempre. È sposato con una fisica sperimentale che ha lavorato per tre anni nella divisione acceleratori del CERN e che attualmente lavora a Parigi sull’acceleratore LHC del CERN.
Il Premio Nobel per la Fisica 2013 è stato assegnato a Fancois Englert e Peter Higgs per la scoperta del bosone di Higgs.

 

ATLAS

Il Toroidal LHC ApparatuS

In parole semplici: che cosa è il bosone di Higgs?

Il bosone di Higgs innanzitutto dovrebbe chiamarsi di Brout-Englert-Higgs (BEH) visto che fu teorizzato indipendentemente e contemporaneamente nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs e dai fisici François Englert e Robert Brout (purtroppo morto nel 2011) dell’Università di Bruxelles. Per questo in Belgio tutti lo chiamano il bosone di BEH; nella comunità scientifica qualcuno si sforza di chiamarlo così ma in realtà per tutti è il bosone di Higgs.
Questo bosone rappresenta la pietra angolare del cosidetto modello standard e cioè dell’insieme delle leggi fisiche che governano il comportamento delle particelle elementari. In questo modello standard le particelle fondamentali sono divise in due grandi categorie: i fermioni (da Enrico Fermi) e i bosoni (dal nome del fisico indiano Bose).
I fermioni rappresentano i costituenti della materia. Il modello standard attuale ne conta 12: 6 quark (nome dato dal fisico Gell-Mann ispirato dalla frase “Three quarks for Muster Mark!”del libro di Joyce “Finnegans Wake”. Il protone ed il neutrone sono composti da 3 quark per l’appunto) e 6 leptoni (3 carichi: l’elettrone e due suoi cugini piu’ pesanti e 3 neutri: i neutrini).
I bosoni sono le particelle che mediano le interazioni tra i costituenti elementari. Abbiamo il fotone per l’interazione elettromagnetica, i bosoni W e Z (scoperti al CERN nel 1983 da Carlo Rubbia, premio Nobel nel 1984 insieme a Van der Meer, l’ideatore dell’acceleratore utilizzato per la scoperta) dell’interazione debole ( quella che causa per esempio il decadimento beta dei nuclei) e i gluoni per l’interazione forte tra i quark.
Tutte le previsioni del modello standard sono state sempre confermate dagli esperimenti di fisica delle particelle effettuati nei laboratori di tutto il mondo. Possiamo dunque immaginare le nostre conoscenze in fisica delle particelle elementari come un enorme puzzle di cui con gli anni si sono riusciti a ricomporre tutti i pezzi. Fino all’anno scorso pero’ di questo puzzle mancava il pezzo centrale: la conferma sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs per l’appunto. Questo bosone di Higgs è cruciale per spiegare l’origine della massa delle particelle elementari. Infatti, secondo il modello standard, la massa di tali particelle è dovuta al modo in cui esse interagiscono con il campo associato al bosone di Higgs. Per spiegare questo punto delicato ai non addetti ai lavori, i fisici si servono spesso della seguente analogia. Possiamo pensare al campo di Higgs che permea l’universo come ad un grande campo di neve. Chi si muove su questo campo non puo’ muoversi liberamente, ma viene appesantito dalla presenza della neve in modi diversi. Ci sarà chi si muove facilmente e velocemente, come se avesse gli sci ai piedi, e chi lentamente sprofondando ad ogni passo. Corpi che interagiscono diversamente con il campo risentono di un’inerzia diversa ed hanno dunque una massa diversa. Avremo quindi particelle leggere dalla piccola massa che si muovono a grande velocità (nel limite di massa nulla si muoveranno alla velocità della luce) e particelle pesanti.
Ecco perché il bosone di Higgs è fondamentale: perché dà la massa alla particelle elementari del nostro universo. Si tratta di un fenomeno fisico che non ha nulla a che vedere con Dio. La denominazione di “Particella di Dio” per il bosone di Higgs deriva dal titolo di un libro di fisica divulgativa che ha fatto particolarmente presa sul grande pubblico e sui media.
La sua scoperta è solo merito dei due premiati?
I due premiati sono stati i primi (insieme a Robert Brout morto nel 2011) a scoprire il meccanismo teorico che spiega l’origine della massa delle particelle elementari, come recita la motivazione del premio Nobel, ma, sempre come recita tale motivazione, la conferma sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs è avvenuta al CERN di Ginevra grazie ad ATLAS e CMS, i rivelatori di particelle dell’acceleratore di protoni LHC. Il merito è dunque anche di tutti coloro che hanno contribuito ad ideare e a realizzare l’acceleratore ed i rivelatori nonché ad analizzare l’enorme quantità di dati necessari per scovare nell’enorme pagliaio di particelle create dalle collisioni dei protoni quell’ago del bosone di Higgs.
Sarebbe stato dunque carino assegnare il premio Nobel anche al CERN ma il comitato del premio Nobel ha optato per una linea piu’ conservatrice. Il premio Nobel per la fisica si puo’ assegnare al massimo a tre persone. Non è pero’ ben chiaro se si possa assegnare a degli istituti o a delle organizzazioni. Nella traduzione inglese delle regole per il premio pare che questa possibilità non sia attuabile ma recentemente un fisico svedese ci ha detto che nella versione originale svedese non è proprio cosi quindi forse questa possibilità c’era ed è probabilmente per questo che l’annuncio del premio quest’anno è avvenuto con oltre un’ora e mezza di ritardo rispetto all’ora prevista. All’interno del comitato qualcuno si è battuto fino all’ultimo perché il premio venisse assegnato anche al CERN.
François Englert in un’intervista successiva all’assegnazione del premio ha lanciato l’idea di dare il Nobel per la pace al CERN in quanto immagine formidabile di una coesistenza pacifica e costruttiva tra popoli di tutto il mondo.
Al CERN lavorano persone di piu’ di cinquanta paesi diversi ed è del tutto normale vedere dei pachistani collaborare con degli israeliani o degli americani con degli iraniani. Tutto cio’ è senza dubbio vero ma sarebbe stato piu’ giusto assegnare al CERN il Nobel per il bosone di Higgs, cercato per anni nei laboratori di tutto il mondo ma scoperto solo l’anno scorso.
Resta il fatto che il testo della motivazione del premio è eccezionale: per la prima volta vengono espressamente menzionati i nomi degli esperimenti, dell’acceleratore e del laboratorio.
È vero che il passo definitivo l’hanno fatto gli esperimenti ATLAS e CMS che al momento della scoperta erano a guida italiana?
Gli esperimenti ATLAS e CMS sono i 2 rivelatori che hanno scoperto sperimentalmente il bosone di Higgs.
ATLAS è l’acronimo di A Toroidal LHC ApparatuS mentre CMS sta per Compact Muon Solenoid. Le parole Toroidal e Solenoid che compongono queste sigle ricordano il fatto che uno dei principi di questo tipo di rivelatori è la presenza di un campo magnetico che fa deviare diversamente le particelle a seconda della loro carica, massa ed energia e che permette di identificare le particelle a seconda delle traiettorie da esse percorse oltre che dai modi in cui esse compaiono o scompaiono. Il bosone di Higgs per esempio vive talmente poco che una volta creato dalle collisioni protone protone, non è detto che esso arrivi ai rivelatori e in piu’ non avendo carica elettrica non sarebbe comunque facile rivelarlo. SI devono dunque cercare i suoi prodotti di decadimento; cioè le particelle in cui esso decade. La grossa difficoltà consiste nel fatto che le particelle in cui esso decade sono pero’ dello stesso tipo di quelle che vengono create in molti altri processi fisici che avvengono contemporaneamente. Ecco che entrano in gioco tecniche di analisi dati sofisticatissime per trovare il famoso ago nel pagliaio.
All’interno di ATLAS e CMS c’è chi si è occupato di costruire e testare i vari pezzi dei rivelatori (si tratta di rivelatori a cipolla, vari strati per vari tipi di particelle), chi (praticamente tutti, a turno, giorno e notte) di monitorare la presa dati e chi di analizzare i dati.
Le collaborazioni ATLAS e CMS coinvolgono ciascuna all’incirca 3000 persone di una cinquantina di paesi diversi. La maggiorparte di queste persone, pur lavorando spesso al CERN, appartengono alle diverse Università e ai diversi enti di ricerca. In Italia un ruolo essenziale è ricoperto dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) mentre in Francia, per esempio ci sono il CNRS (Comité National de la Recherche Scientifique) e il CEA (Commisariat à l’Energie Atomique).
I portavoce di questi due esperimenti ogni tot anni cambiano. E’ vero che l’italiana Fabiola Giannotti è stata la portavoce di ATLAS tra il 2009 e il 2013 e che l’italiano Guido Tonelli è stato portavoce di CMS nel biennio 2010-2011. I primi risultati su una possibile evidenza del bosone di Higgs furono presentati al CERN nel dicembre 2011 quando i portavoce di entrambi gli esperimenti erano italiani.
Per quanto l’Italia, visti i portavoce ma anche il grande numero di fisici (tesisti, dottorandi, borsisti, ricercatori, professori) coinvolti non si puo’ negare che abbia assunto un ruolo importante. Questo non significa che il ruolo di molte altre nazioni, in cui peraltro lavorano molti fisici italiani, sia stato meno rilevante. Vivendo all’estero ci capita di leggere anche i giornali di altre nazioni nonché di ricevere le mail dai diversi enti di ricerca con cui abbiamo collaborato. E’ divertente notare come ciascuno cerchi di tirare l’acqua al proprio mulino. La verità è che la scoperta del bosone di Higgs è un successo condiviso.
Quanto ha contribuito il CERN di Ginevra a questo studio?
Finora abbiamo parlato essenzialmente dei rivelatori ma l’acceleratore è altrettanto importante. Ricordando la celebre equivalenza di Einstein tra l’energia e la massa, si puo’ capire che concentrando grandi quantità di energia in un certo punto, si possono creare delle nuove particelle. Per questo motivo negli acceleratori si accelerano le particelle a velocità ed energie elevatissime e le si fanno scontrare tra di loro: l’energia che si sprigiona nell’urto è talmente grande da generare nuove particelle.
Al CERN di Ginevra si è costruito l’LHC (Large Hadron Collider), l’acceleratore di particelle piu’ grande e potente finora realizzato. Dagli urti protone-protone ad energie mai raggiunte prima in laboratorio è stato possibile creare il bosone di Higgs.
Se i rivelatori, nei vari loro pezzi sono concepiti e realizzati dai vari enti di ricerca, l’acceleratore è prevalentemente un’opera del CERN anche se questo non significa che altri enti e laboratori non siano coinvolti.
Oltre al ruolo di leader per cio’ che riguarda l’acceleratore, il CERN ricopre anche il ruolo di organo federatore degli esperimenti che vengono eseguiti ; dopotutto i rivelatori sono piazzati in punti specifici dell’acceleratore.
Che cosa significa per un fisico, in termini di carriera scientifica, vincere il Nobel?
Il Nobel rappresenta il massimo premio che un fisico possa ricevere. Questo non significa pero’ che esso coincida necessariamente con la massima soddisazione che un fisico possa avere. La massima soddisfazione risiede nel piacere intellettuale della scoperta (piacere ancor piu’ bello se condiviso con i propri collaboratori) e nel suo riconoscimento da parte della comunità scientifica.
Che cosa significhi in termini di carriera scientifica vincere il Nobel è difficile a dirsi, dipende da caso a caso. Penso che dopo questo premio la carriera di Englert e Higgs cambierà poco, avendo entrambi piu’ di ottant’anni. Certo se un giovane vince un premio Nobel, cosa che ultimamente avviene piuttosto di rado, sarà ricercato dalle Università e dai laboratori di tutto il mondo. Per citare un esempio piuttosto noto, Carlo Rubbia dopo aver vinto il premio Nobel è stato presidente del laboratorio di luce di sincrotrone di Trieste, direttore del CERN, presidente dell’ENEA e probabilmente molte altre cose. Recentemente è anche stato nominato senatore a vita. Ovviamente dipende da caso a caso comunque in generale il premio Nobel dà una visibilità che travalica il mondo della scienza.
Come hai appreso la notizia di questo Nobel per la fisica?

Ho avuto la fortuna di trovarmi all’Università di Bruxelles, l’Università di François Englert, proprio il giorno dell’annuncio del premio. Probabilmente è stato il posto migliore in cui trovarsi visto che, secondo me, al CERN dopo l’euforia iniziale un po’ di amarezza si doveva respirare, mentre all’Università di Edimburgo, cosi’ come in tutta la Gran Bretagna, Peter Higgs era dato per disperso, tanto elusivo e introvabile quanto il bosone da lui teorizzato! (Questo la dice lunga sulle aspettative che c’erano per il premio quest’anno). Quando ero uno studente di fisica già avevo dei dubbi sul fatto che il bosone di Higgs si potesse trovare (l’annuncio del 4 luglio 2012 è stata un’inaspettata emozione), ma mai avrei potuto immaginare che il giorno dell’annuncio del premio Nobel per la sua scoperta mi sarei trovato nello stesso luogo di uno dei vincitori. Posso dunque testimoniare di un emozionante e interminabile applauso rivolto da un auditorium stracolmo di studenti, giovani ricercatori, professori ed ovviamente telecamere e giornalisti ad un vincitore molto contento e un po’ frastornato, di un libro che circolava e conteneva le dediche piu’ disparate, nonché cuoricini e baci. Un premio Nobel vuol dire anche questo, si diventa un po’ un’icona e un personaggio mediatico (notizia d’apertura dei telegiornali e prime 6 pagine dei giornali, almeno in Belgio).
Che cosa ha detto il neo premio Nobel ai suoi amici dell’Università?
Posso dunque raccontare che cosa ha detto il neo premio Nobel ai suoi amici dell’Università. Dopo un commosso ricordo del compianto collega e amico di tutta una vita Robert Brout con cui aveva avuto il piacere di condividere la scoperta nel 1964, subito festeggiata con qualche birra in un bar di Bruxelles, ha deciso di non voler fare discorsi solenni ma giusto di raccontare qualcosa non ancora detta nelle varie interviste già rilasciate nelle poche ore dopo l’annuncio del premio. Ci ha dunque detto di come questa giornata memorabile non fosse iniziata per nulla bene. E’ noto infatti che 45 minuti prima dell’annuncio del premio, i vincitori vengono chiamati per telefono per dare loro la possibilità (remota, ma Sartre lo fece) di rifiutare e per permettere dunque al comitato di assegnare il premio a qualcun altro. In casa Englert pero’ 45 minuti prima dell’annuncio il telefono non suona, mezz’ora, quindici minuti, niente. Ora del premio… niente. Englert racconta allora di come spazientito abbia detto alla moglie di spegnere il computer e di non volerne sapere piu’ niente. E’ iniziata dunque un’accesa discussione con la moglie terminata con “vinca chi vinca l’importante è che noi due ci amiamo” subito prima che il telefono finalmente suonasse. Ovviamente tutto l’auditorium è scoppiato a ridere e qualcuno, in primis la moglie, si è commosso.
Englert spazientito, Higgs introvabile, grandi gioie per alcuni, cocenti delusioni per altri, cose inevitabili che qualunque premio ambito porta con sé.
Cambierà lo studio della fisica adesso dopo la scoperta del bosone?
Pur avendo trovato il pezzo mancante del puzzle, non si può dire che ora si sia spiegato tutto. Il modello standard pur descrivendo correttamente tutti i fenomeni osservati negli esperimenti di particelle elementari, ha alcuni limiti. Esso per esempio tratta i neutrini come particelle di massa nulla mentre esperimenti recenti hanno mostrato che i neutrini hanno massa. I fisici teorici stanno dunque lavorando su generalizzazioni del modello standard. Il modello standard poi descrive bene solo la materia “visibile”, che rappresenta solo un quinto della materia dell’universo. La ricerca della materia oscura cosi come una misura precisa delle proprietà del bosone di Higgs rappresentano ora le priorità della fisica delle particelle.
Rimangono ovviamente tante questioni aperte anche negli altri campi della fisica (fisica nucleare, astrofisica, fisica atomica…)
Quali applicazioni pratiche avrà?
In generale non amo troppo questo tipo di domanda o, peggio ancora domande del tipo “A che cosa serve?”, poste talvolta con sarcasmo. Il disprezzo della conoscenza è il primo passo verso l’intolleranza.
La ricerca pura in fisica tanto teorica quanto sperimentale non è fatta per avere applicazioni pratiche immediate ma per trovare le leggi fondamentali della natura. Su queste leggi poi si baseranno nuove invenzioni ed applicazioni tecnologiche che avranno un forte impatto sulla società. Per fare qualche esempio possiamo citare l’importanta della fisica nucleare e degli acceleratori in campo medico o ricordare che il World Wide Web è nato al CERN all’inizio degli anni novanta come strumento per permettere ai fisici di condividere le informazioni dei loro esperimenti.
Riguardo al bosone di Higgs si puo’ affermare fin d’ora che, per riuscire a realizzare quei mostri tecnologici che sono l’acceleratore e i due esperimenti necessari alla sua scoperta, si sono dovuti superare limiti tecnici in diversi campi (meccanica, elettronica, scienza dei materiali, informatica) trovando soluzioni subito trasferite all’industria.
Ci saranno cambiamenti anche nel nostro quotidiano?
Nell’immediato no. In futuro chi può dirlo? Einstein non pensava di certo alle fotocellule delle nostre porte quando ha teorizzato l’effetto fotoelettrico né ai GPS quando ha sviluppato la teoria della relatività!

Cristina Menghini