Fisica, l’ora della rivoluzione

Al Cern, centro europeo di ricerche nucleari di Ginevra, sta per essere acceso l’acceleratore più potente del mondo

La ricerca fondamentale sembra oggi un po’ dimenticata di fronte agli straordinari entusiasmi per gli sviluppi tecnologici e ambientali. Ciononostante la ricerca fondamentale, quella esclusivamente guidata dal desiderio umano di conoscere e di sapere, è ora in una fase di straordinario progresso. E in questo gli enti europei Cern, Eso, Esa e italiani Infn e Asi continuano ad avere un ruolo determinante. Il 2008 si annuncia come un anno molto interessante per la fisica delle particelle e per l’astrofisica. La densità e la composizione della materia ed energia nell’Universo sono di importanza fondamentale.

Stiamo adesso arrivando ad una svolta, come è stato dimostrato dal premio Nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot per i loro studi sul Big Bang con il satellite Cobe, lanciato dalla Nasa nel 1989. Queste misure, che hanno aperto alla cosmologia il ruolo di una scienza esatta, proseguite con il satellite Wmap e il futuro satellite europeo Planck, stabiliranno con ancora più dettaglio il comportamento dell’Universo «bambino», nel primo istante in cui la luce si separò dalla materia, offrendoci oggi, 12 miliardi di anni dopo, questa meravigliosa immagine sferica dell’Universo incandescente.

LA MATERIA OSCURA DELL'UNIVERSO

Con simili misure si è riusciti per la prima volta a «pesare» l’Universo e a confermare con una precisione del 2% il valore predetto dalla cosiddetta teoria inflazionaria, basata sulla meccanica quantistica dei primissimi istanti della creazione dell’Universo. Oggi sappiamo, dunque, che la materia luminosa contribuisce solamente con una piccolissima frazione, lo 0.5% della massa dell’Universo, mentre la materia ordinaria, quella di cui è costituito il mondo a noi visibile, rappresenta solo il 6%. Quantunque le stelle siano straordinariamente interessanti e attraenti alla vista, esse rappresentano in realtà solamente una frazione piccolissima della materia e dell’energia complessive presenti nell’Universo.

Come risaputo da parecchi decenni, la maggioranza della materia e dell’energia dell’Universo sono «oscure », invisibili all’astronomo e quindi solo indirettamente osservabili attraverso gli effetti indotti. La fisica delle particelle elementari ha tra i suoi compiti principali anche quello di aiutarci a comprendere quale ne sia l’origine, accomunando la fisica dell’infinitamente piccolo delle particelle elementari e quella dell’infinitamente grande della cosmologia. E’ questo uno dei compiti principali del nuovo Lhc (Large Hadron Collider), che entrerà presto in funzione al Cern.

La fisica nucleare associata alla cosmologia ci ha permesso di ricostruire recentemente e con precisione il processo di nucleosintesi degli elementi della materia ordinaria (per intenderci i noti elementi della chimica) che, come descritto nel famoso libro di Steve Weinberg, avvenne nei famosi «tre minuti» dopo il Big Bang. Sappiamo oggi che questa materia ordinaria, quella di cui noi ed ogni oggetto esistente sulla Terra sono costituiti, rappresenta solo una piccola frazione della materia ed energia dell’Universo.

Tutta la materia con cui siamo a visibile contatto fa parte di questo 6%. E i rimanenti 94 %? Intuitivamente ci si aspetterebbe che l’Universo sia sinonimo di materia ordinaria. Oggi sappiamo che questa intuizione è grossolanamente falsa, come è dimostrato dal valore globale della materia osservata dell’universo e dalla forte insufficienza della nucleosintesi.

LE PARTICELLE «SUSY»

Sappiamo dunque che vi è molta più materia di quanto sia dato dalla materia ordinaria: quest’ultima non è la forma dominante della materia nell’Universo. Quantunque la quantità di questa materia oscura sia oggi compiutamente confermata da un gran numero di osservazioni, la sua vera natura rimane ancora un completo mistero. La fisica delle particelle elementari propone una soluzione attraente a questo problema ipotizzando che siano particelle elementari residuate dal Big Bang. Particolarmente interessante sono le cosiddette particelle «supersimmetriche», battezzate «Susy», di massa sufficientemente elevata per non essere state finora prodotte artificialmente ad esempio con l’acceleratore Lep del Cern, ma che lo potrebbero essere con la nuova grande macchina Lhc e i relativi esperimenti. Esse sono fortemente sostenute da teorie che hanno come scopo quello di unificare le forze della natura.

La possibilità che le particelle Susy possano anche costituire la materia «oscura» è una straordinaria coincidenza e un’alternativa da studiare con vigore, anche se evidentemente la soluzione del puzzle offre molte altre possibilità. Quantunque Susy sia un candidato convincente, i fisici delle particelle elementari lo devono ancora scoprire. Non va dimenticato che la Natura ha in riserva molte altre alternative tra cui altre particelle stabili, sufficiente pesanti e senza interazioni apprezzabili, genericamente chiamate Wimp, o Weakly Interacting Massive Particles, le quali potrebbero giocare il ruolo della materia «oscura». L’enorme numero di particelle «oscure» generate dal Big Bang nel cosmo, sia Susy o altre, dovrebbe produrre come conseguenza qui sulla Terra un impressionante flusso di milioni di particelle per ogni centimetro quadrato.

E’ quindi anche possibile ricercare questi Wimp grazie alle rarissime collisioni in laboratori sotterranei, dove la presenza di altri eventi ordinari è fortemente attenuata. Il ben più piccolo esperimento Warp nel Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Infn, oggi in fase di avanzata realizzazione e a cui io partecipo personalmente, costituisce l’esperimento più avanzato mondialmente in questo campo.

L'ITALIA NON DEVE RIMANERE INDIETRO -

Evidentemente le due ricerche, quelle della produzione artificiale di tali particelle al Cern con l’Lhc e quelle dell’osservazione del flusso naturale proveniente dal Big Bang con Warp sono esperimenti complementari, ma ciononostante in diretta concorrenza per una possibile scoperta. Più in generale, al fine di dare risposta alle molte questioni fondamentali, nuovi dati sperimentali cosmologici e di laboratorio sono urgentemente necessari, sia in astronomia che nelle particelle elementari, come ad esempio nella ricerca di nuove particelle esotiche e non interagenti, e in fisica nucleare, ad esempio per comprendere a fondo la nucleosintesi. Abbiamo davanti a noi un affascinante e multidisciplinare periodo di scoperte, nelle quali gli esperimenti più precisi e sensibili saranno i migliori. E a tale fine, nuovi strumenti e, permettetemi di dirlo, anche nuovi finanziamenti sono necessari.

Ma, ancora più importante, è che oggi ci troviamo di fronte una vera concordanza nei primi istanti dell’Universo e una guida su dove dirigere la ricerca sperimentale. Questa situazione ricorda quella delle particelle elementari negli anni Ottanta quando fu completato il Modello Standard. La scoperta sperimentale nel laboratorio della natura della materia «oscura» e la sua dominanza nella dinamica del cosmo sarebbe una straordinaria rivoluzione di portata confrontabile alla rivoluzione copernicana quando fu compreso che la Terra non era il centro dell’Universo o alla rivoluzione darwiniana quando si capì che l’uomo era solo l’ultimo elemento di una lunga catena di evoluzioni della specie.

In questo nuovo ed eccitante periodo di sviluppi rivoluzionari, la scienza europea e in particolare quella italiana non possono restare indietro.

Carlo Rubbia