LHC: FEBBRE di PARTICELLE

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Materia oscura

BH: Stava spiegando che una delle cose che cerca di scoprire dell'LHC al CERN è questo tipo di struttura della materia e gli atomi, e poi stava discutendo altre teorie come la materia fisica oscura. Che significa materia oscura?

Kaplan: Per anni abbiamo osservato le stelle e le galassie e le abbiamo viste muoversi, e abbiamo scoperto che non si muovono come previsto. Pensavamo di aver capito come funziona la gravità. Guardavamo la materia laggiù e commentavamo: con tutta quella materia, le cose dovrebbero muoversi una attorno all'altra velocemente. Come la Terra attorno al Sole. La Terra sembra ruotare attorno al Sole correttamente e la gravità funziona in modo perfetto. Osservando la scala e gli ammassi di galassie, le cose non si muovono nel modo giusto e potremmo dire che probabilmente lì esiste un sacco di materia che non vediamo.

Ma se prendiamo l'Universo e lo riportiamo indietro a quando non c'erano le stelle, i pianeti, e la struttura, ma solo plasma e poltiglia, allora potremo chiederci, quali sono i contenuti di quella poltiglia e quanto di quel contenuto è questa materia di cui sarebbero fatti gli atomi?

Poi, possiamo immaginare di cosa si tratti guardando la materia esistente adesso, quali tipi di gas esistono nel mezzo interstellare, e quali stelle sputano fuori quando esplodono. Possiamo usare varie misurazioni per confermare quale componente della materia nel primo Universo compose gli atomi. Invece del 100% della materia, a formare gli atomi diventò più del 15% di tutta la materia usata. E dovrebbe essere un altro tipo di materia, che non entra in contatto con gli atomi, che non interagisce con loro nel modo normale. Gli atomi non interagiscono attraverso la forza elettromagnetica, non parlano ai fotoni, non sentono la forza potente del nucleo, c'è qualcosa che ci collega molto debolmente, ma non sono atomi, né elettroni, né protoni o neutroni; è qualcos'altro.

Non sappiamo cosa. E attualmente molte prove indicano che c'è qualcosa, e c'è una ragionevole possibilità che si tratti di una particella di questo tipo, che non interagisce attraverso queste altre forze ma potrebbe interagire, e probabilmente lo fa, attraverso una forza chiamata forza debole. E dato che è debole, non vede questa materia; questa materia ci attraversa soltanto e coesiste con noi. La parte dominante della nostra galassia è questa materia. Non sono le stelle, i pianeti o il gas dell'idrogeno, o gli atomi, è "quella" materia, non sappiamo cosa accidenti sia ma è la maggior parte della galassia in cui viviamo.

BH: Come l'85%?

Kaplan: Su una galassia, non è molto chiaro. Su tutto l'universo è l'85% della materia dell'universo.

BH: "Questa" materia sembra quindi più predominante della materia a cui siamo abituati, e non possiamo toccarla, non possiamo interagirci. Riesce a immaginare come può trovare qualcosa che fondamentalmente è invisibile?

Kaplan: Esatto. E la ragione per cui speriamo che questa cosa invisibile sia accessibile a noi con un esperimento è che l'energia o la massa (e mi riferisco a energia e massa secondo la famosa formula di Einstein), alla scala di energia, sembra giusta per questi altri fenomeni: le cose che producono massa per gli elettroni, la cosa che produce massa per queste altre particelle, le particelle di forza debole.

Quel collegamento suggerisce che le nuove particelle ci parlano attraverso questa forza debolissima. Ma se c'è un'intera struttura per una teoria come la super simmetria, o le dimensioni extra, ci sarà un'intera schiera di particelle, alcune delle quali si vedono molto facilmente nell'LHC. Perciò l'idea sarebbe di produrre particelle facili da vedere nel LHC, e quando si disintegrano, si disintegrano parzialmente in questa particella di materia oscura.

Ma se nel LHC non possiamo scoprirlo, possiamo vedere un'esplosione dove improvvisamente una grande parte del detector non contiene niente, anche se è chiaro che qualcosa viene liberato in quella direzione perché tutto il resto viene liberato in direzione opposta. La materia invisibile vola via in una direzione, e fondamentalmente abbiamo un'esplosione dove mancano grandi pezzi di quella materia. È come vedere esplodere una bomba e per qualche ragione l'esatta metà dell'esplosione rimane invisibile. Sarebbe molto strano.

Teoria delle stringhe

BH: Cosa è la teoria delle stringhe in relazione alla teoria del campo quantistico?

David: Prima di tutto direi che la teoria delle stringhe è un sotto-campo della fisica delle particelle, di cui non sono esperto. Comunque, le dirò quello che so.

In un certo senso la teoria delle stringhe è allo stesso tempo più profonda e superficiale della teoria del campo quantistico. Ipotizza l'idea che le particelle non siano fondamentali. Le stringhe lo sono, quando infatti prendevamo le particelle e quantizzavamo completamente la teoria, trovavamo che le particelle in realtà erano solo vibrazioni dei campi. Quindi erano i campi a diventare fondamentali. Nella teoria delle stringhe, facciamo il primo passo, affermiamo che c'è la meccanica quantistica delle stringhe e  poi c'è un certo collegamento tra le stringhe e la teoria del campo quantistico, ma il collegamento non è comprensibile al 100%, dobbiamo fare delle supposizioni sul suo funzionamento.

La teoria delle stringhe mette in evidenza soprattutto che la teoria del campo quantistico ha un tempo che comprende la gravità, e la gravità è evidentemente una forza della natura. Mentre a brevi distanze non ha alcun ruolo fondamentale, diciamo alla grandezza di un atomo o di una struttura molecolare, o persino alla grandezza di noi due, invece gioca un ruolo importante in termini di grandezza dell'universo e di evoluzione dell'universo.

L'esistenza della terra e la ragione per cui cadiamo a terra è che la terra è immensa. Pensiamo a quando stiamo in piedi sulla terra e alziamo un braccio. In quel momento stiamo lottando contro tutta la terra e stiamo vincendo.  Ci vuole tutta la terra per mantenere il braccio abbassato e la nostra abilità e i nostri muscoli per alzarlo di nuovo.

Le forze che ci interessano nella fisica particellare sono le forze di quel braccio,  per esempio, le forze elettromagnetiche che tengono insieme il braccio e i muscoli e gli permettono di stringere. Quelle forze sono trilioni di trilioni di trilioni di volte più forti della forza di gravità, perciò quando studiamo la natura delle leggi fondamentali a una distanza veramente breve, diventa facile ignorare la gravità perché n quel senso non ha alcun effetto sui nostri esperimenti.

Ma nel quadro generale, dove vogliamo spiegare tutto e incorporare tutte quelle leggi fondamentali, la gravità non viene incorporata facilmente. La teoria delle stringhe è un tentativo di fare proprio quello, e poiché affronta la gravità e la relatività generale, ha da dire cose potenzialmente profonde sullo stesso spazio-tempo.

C'è ancora una certa dicotomia con la teoria del campo quantistico. In un certo senso, le stringhe non sono solide come le particelle, e la teoria del campo quantistico è la cosa che fa scomparire le particelle. Le stringhe non devono scomparire, possono rompersi e poi riattaccarsi una all'altra, quindi non abbiamo bisogno della teoria del campo quantistico per applicare la teoria delle stringhe.

Per quanto riguarda la teoria del campo quantistico, non è che non sappiamo precisamente come funzioni questa materia - sappiamo bene come funziona. Non sappiamo perché la natura faccia queste cose per noi, e perché sia così pazza, ma conosciamo dettagliatamente il suo funzionamento. La teoria delle stringhe è un tentativo di fare un altro passo, quello di unificare le cose con la gravità, ed è molto più speculativo solo perché non lo abbiamo testato. In realtà non sappiamo come testare la teoria delle stringhe in modo serio.

Realizzazione di un film

BH: Ci parli del film che sta preparando sull'argomento.

Kaplan: Qualche anno fa, i ricercatori del settore mostrarono preoccupazione riguardo le grandi teorie come quelle extra dimensionali molto confuse e complicate; non sono facili da costruire e non lo è neanche attribuirgli un significato. La fiducia nel capire se nell'LHC  riusciremo a vedere la dinamica di questa struttura basilare della materia si è incrinata.

Le ragioni sono molto complicate; hanno a che fare con le indicazioni della teoria delle stringhe, con il come gli esperimenti delicati sembrano acquisire le caratteristiche indirette di queste nuove teorie, ma non si è visto ancora niente, etc. Il nervosismo ha pervaso la comunità, a partire dall'inizio di questo decennio.

Quando noi teorici costruttori di questi modelli ci riuniamo, cominciamo a chiederci, “E se…?”, e discutiamo di quello che abbiamo trovato. Da una parte pensiamo che naturalmente si troverà qualcosa, ed è assurdo che non ci sia niente; dall'altra pensiamo che forse ci siamo persi qualcosa, che non abbiamo afferrato. O forse la natura è veramente crudele e ci sta solo provocando.

Tutti noi, teorici e sperimentalisti di questo settore, abbiamo dedicato la vita a questo.  Ma oltre a ciò, c'è il problema di capire: se la natura fa questo e gli esperimenti sono così grandi, quello che la natura può vedere, può essere la fine della nostra comprensione di come esplorare persino le parti più profonde della natura.

Se è così, non sapremmo neanche come procedere in modo sperimentale. Sarebbe letteralmente un vicolo cieco sociologico alla ricerca della comprensione delle leggi fondamentale della natura. E potrebbero passare 100 anni, o 600 prima che la gente riesca a immaginare come approfondire.

Tutto questo ha un forte impatto sulle nostre vite e carriere personali, su quello cui abbiamo dedicato tutto. Poi esistono i problemi più ampi di quale sia la capacità dell'uomo di esplorare veramente la realtà. Discuto con i fisici fino alle tre di notte, e sempre più spesso comincio a parlare di filosofia con le persone migliori del mio settore. Siamo tutti in rivolta.

A un certo punto ho pensato: mio Dio, questo può essere l'evento scientifico storico più grande della mia vita, e forse del secolo, e in qualche modo devo riportarlo.

Prima di diventare un fisico, avevo iniziato come studente di cinema, la mia passione era girare film. Poi capii di avere una passione anche maggiore per la fisica. Ho abbastanza esperienza di cinema per capire che tutto questo deve essere catturato da un film.

Il modo per farlo è partire dal profondo, dalle persone innovative. E quando arriva il momento, nei loro occhi possiamo vedere il significato di tutto questo, sia in termini di impegno personale che di impatto sulla società, sia che si tratti di un grande successo che di una scoperta dove abbiamo intravisto la fine della fisica. Nei loro occhi possiamo vedere anche una sorta di filosofia più profonda, dove in realtà tutto questo si scontra con la volontà umana di continuare a forzare, con enormi rischi, i limiti della nostra incapacità di comprendere qualcosa di più della verità su cosa siamo e cosa è l'universo.

BH:  Quindi facendo ormai parte della cerchia giusta, assisterà a tutto questo col rotolo di pellicola?

Kaplan: Sto producendo il film e dirigo la produzione. Il regista, Mark, ha bisogno di essere guidato in quello che vede. Il soggetto è talmente vasto che lascia spazio a tante cose. Io posso ridurre del 99,9% e arrivare al nucleo centrale, poi il regista dovrà fare la maggior parte del processo creativo osservando le cose con una prospettiva diversa dalla mia, la prospettiva umana. Per esempio, quando Mark mi chiedeva: “Perché non intervistiamo quel tipo?”, io rispondevo: “No, quel tipo è un impostore, oppure, quel tipo non è un vero fisico”, e Mark: “Si, ma è uno scrittore di successo”. Io mi agitavo e cominciavo a urlare e Mark diceva: “Aspetta, fermati. Lascia che ti riprenda ”. Perciò arriverà il momento in cui tenterò di fare il film, ma fare il film sarà meno importante delle mie opinioni sullo schermo. A quel punto dovrò lasciar perdere.

Uno dei miei ruoli sarà permettere un accesso totale, anche alle vite dei maggiori fisici di questa generazione. Andremo nelle loro abitazioni in tutto il mondo per riprenderli in piena notte, potremo riprenderli quando non sono felici, etc. Sono stanco di sentir parlare della scienza solo pontificata  da gente che ha già immaginato le cose. Penso che la scienza debba essere vista come un'impresa attiva, dolorosa, eccitante e umana, in modo da osservare gli scienziati non solo quando si addentrano nella fisica, fanno la scienza pieni di incertezze, ma attraverso un processo dinamico dove accade qualcosa all'esterno che dovrà cambiare completamente il loro pensiero. Si riuscirà veramente a vedere l'esperienza umana di essere uno scienziato, e questo sarà il  contesto della più grande rivoluzione scientifica della mia vita attiva.

BH: Il film è stato finanziato, è tutto pronto?

Kaplan: Abbiamo approvato un budget e trovato già una coppia di investitori, e questo è sufficiente per iniziare la produzione. Mi rimane da trovare i mezzi finanziari, sia tramite investitori privati che fondazioni.

BH: Così se qualcuno dei nostri lettori sarà interessato, può visitare il vostro sito..

Kaplan: Sicuramente possono andare sul sito Particle Fever. Se vogliono investire, o solo vedere cosa stiamo facendo. Ci divertiamo. Alla fine ci riusciremo in qualche modo. Ormai mi sono impegnato, ci sono dentro, non posso farci niente.

Fonte in lingua originale: http://www.bleepingherald.com/
traduzione italiana per scienzaeconoscenza.it di Emanuela Pettinelli