La teoria del campo quantico e la fisica delle particelle

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L'intervista a cura del BleepingHerald è con David Kaplan, uno dei pochi principali fisici teorici delle particelle che opera con il CERN (European Organizaton for Nuclear Research) e gli esperimenti sul LHC (Large Hadron Collider). È ricercatore universitario alla facoltà di Fisica e Astronomia della Johns Hopkins Univesity. I suoi principali interessi nella ricerca sono la fisica teorica delle particelle, con particolare attenzione alla superconduttività elettrodebole e alla fisica potenzialmente relativa come la supersimmetria, alle nuove forze fondamentali, alle dimensioni extra e ai loro segnali negli esperimenti con il collisore.

BH: Ci parli di lei, e come si collega al progetto CERN...
David: Sono un teorico e fisico particellare. Nel 1999 ho ottenuto il Dottorato di ricerca. Ho conseguito la laurea all'Università di Berkley, e dopo ho frequentato un corso di specializzazione all'Università di Washington. Ho vinto due borse di studio per due post-dottorati di ricerca, uno all'Università di Chicago, l'altro a Stanford. Nel 2002 ho ottenuto la cattedra alla Hopkins University.

Ho sempre amato risolvere rompicapi e questo è un lavoro dove mi pagano per farlo, potendo anche insegnare agli altri come risolverli. Nel mondo della fisica delle particelle c'è chi costruisce gli esperimenti e chi sviluppa, comprende e scopre le teorie, e tutti lavorano di pari passo

Gli sperimentatori stanno costruendo qualcosa sulla base di quello che i teorici ritengono interessante cercare, o prevedono di trovare. I teorici poi tentano di interpretare quale nuova fisica sia scoperta negli esperimenti, soprattutto se imprevista. In modo particolare, dovremmo discutere attentamente la costruzione degli esperimenti, cosa dovrebbero trattare sulla base di interessanti teorie.

Nella mia carriera, dieci anni di vera produttività, ho sempre escogitato teorie in grado di spiegare i punti deboli della attuale comprensione delle leggi fondamentali della natura.

"Fsica delle particelle" non è una definizione appropriata; non si tratta di fisica delle particelle. In realtà è lo studio delle leggi basilari, delle regole del gioco. Comprendiamo gli atomi a un livello sorprendente; capiamo che formano molecole, materiali, sostanze, aria, la terra, tutto. E allo stesso livello comprendiamo le leggi basilari del funzionamento delle cose, degli atomi. Nel profondo degli atomi c'è l'accesso ai principi fondamentali del funzionamento del mondo.

In primo luogo, perché gli atomi possono esistere? Cosa dà massa all'elettrone per permettergli di "cadere" in un atomo e fissarsi lì? Cosa permette allo stesso protone di avere una massa, essere pesante e responsabile della massa di tutta la materia? Possiamo fare domande molto più profonde rispetto alla solita: di che cosa sono fatte le cose? Ora la vera domanda è: quali sono le interazioni tra le cose e quale è la causa della creazione delle cose, della massa, della materia, della grandezza e della struttura?

A queste domande possiamo rispondere solo con un'energia maggiore, facendo collidere particelle a energia elevatissima, e alle attuali scale di energia disponibile che possiamo affrontare tecnologicamente, prevediamo una vera svolta importante.

BH: Può descriverci in breve “la fisica  delle particelle 101”?
David: La chiamiamo fisica delle particelle per non scoraggiare la gente, ma in realtà lo studio è “la teoria del quantum”. La teoria del campo quantistico è un insieme di regole, proprio come la meccanica quantistica, ma è più complicata. Sembra che governi la natura, ed è molto importante dove le distanze diventano veramente più piccole, dove si hanno i raggi cosmici, o quando ci chiediamo cosa dà la massa all'elettrone, o quale è la struttura della particella e dell'atomo. È la teoria del campo quantistico a rispondere a quelle domande, e per quanto ne sappiamo, non ci sono state violazioni di questa teoria.

La teoria afferma che riferendoci a una particella come l'elettrone, pensiamo a particelle come oggetti molto solidi. Ma gli elettroni possono scomparire, e un modo semplicissimo per far scomparire un elettrone è farlo collidere con un positrone, cioè un anti-elettrone.

Quando un elettrone e un anti-elettrone collidono, possono distruggersi a vicenda e scomparire letteralmente, e quello che rimane può essere solo radiazione, o quelli che chiameremmo fotoni, particelle di luce.

In realtà anche la meccanica quantistica, e tutto quello che sappiamo della natura non permette una buona descrizione di questo processo. La meccanica quantistica afferma che abbiamo un elettrone, non sappiamo dove si trovi esattamente, ha una natura indistinta, la sua posizione si basa sulla probabilità, e a volte si comporta come un'onda, non sempre come una particella.

Gli elettroni possono interferire uno con l'altro come due onde interferiscono tra loro sulla superficie di un lago quando lanciamo due sassi in due punti diversi. Le onde circolari create dal tonfo possono incrociarsi una con l'altra e interferire tra loro, e da questo possiamo trarne un esempio.

Se una particella è un'onda, quando due particelle si avvicinano una all'altra, possono interferire tra loro, e quella interferenza è decisamente diversa dal modo in cui due particelle si oltrepasserebbero l'un l'altra. Così, quando esse collidono con un'energia bassissima, dobbiamo fare solo un calcolo più preciso che contiene quella piccola ondosità extra associata alle particelle, e quella ondosità è la meccanica quantistica.

Il problema è che, quando gli elettroni, o gli anti-elettroni si colpiscono a energie elevatissime,  possono distruggersi completamente, e in realtà non stiamo parlando del comportamento di quell'elettrone. È il comportamento di qualcosa di più fondamentale che permette agli elettroni di apparire e scomparire, e ad altre cose di apparire al posto loro. Quale è l'oggetto più fondamentale in natura?  Non è la materia solida, non è la particella, è qualcos'altro che permette di cambiare la natura delle cose a livello più importante.

La teoria del campo quantistico è l'ipotesi che le cose fondamentali siano i campi. Non nel senso che potremo sentirli, ma che potremo attraversarli come molassa, siamo nella materia che penetra nell'universo. Si dice che lo spazio contiene un campo e quindi solo certi tipi di oggetti possono vivere in quello spazio. Una particella è una vibrazione in quel campo.

Così, come lanciamo un sasso nel lago e vediamo le onde spostarsi, possiamo guardare quelle onde; le onde esistono perché esiste il lago. Possiamo parlare delle onde, ma la cosa principale è il lago. Questi campi sono cose fondamentali; un campo dell'elettrone esiste nell'universo e in quel campo possiamo avere letteralmente delle onde. Quelle onde non si disperdono del tutto come fanno nel lago, ma contengono energia, e a distanza quella è una particella che contiene energia.

Noi siamo fatti di particelle, cioè, secondo questa descrizione siamo fatti di vibrazioni di campi. I campi non sono fondamentali, sono solo pacchetti di energia, e i pacchetti di energia sono esattamente vibrazioni nei campi che riteniamo particelle fondamentali.

I campi non scompaiono, sono sempre lì, ed esistono fin dall'inizio dei tempi. Ma le oscillazioni dei campi cambiano. Così, a lungo la gente ha ritenuto che all'inizio dell'universo avessimo la materia, poi mentre l'universo cresceva e cambiava nel tempo, la materia all'interno non cambiava mai, e in realtà risulta che non sia così.

Adesso la materia non è la stessa di allora. Possiede la stessa energia, ma non è fatta della stessa materia. Adesso abbiamo una particella, ma prima quella energia potrebbe essere stata contenuta sia nella stessa particella che in una particella diversa, o solo nella energia delle cose che si muovono attorno.

A questo punto della nostra conoscenza, gli oggetti fondamentali dell'universo sono i campi che ci dicono quali particelle possono esistere e quali no, e l'elenco di campi ci dice tutto quello che nell'universo è, potrebbe essere, potrebbe essere stato, o è stato. Ci offre una descrizione molto più ampia della natura della realtà.

BH: Perché c'è bisogno di questa energia elevata per gli esperimenti?
David: In un certo senso quegli esperimenti sono più banali di quanto si immagini. Richard Feynman sostiene che la fisica delle particelle s'interroga su come funziona una Volkswagen e cerca risposte facendo schiantare due Volkswagen  una contro l'altra il più forte possibile, osservando i pezzi volare via, cercando poi di interpretare come fossero le due macchine prima dello scontro.

Questo è il meglio che possiamo fare per comprendere la struttura alla base. Se la facciamo scontrare abbastanza violentemente in modo da poter vedere la parte interna del carburatore volare via, in questo caso, in modo molto brutale, stiamo facendo le stesse cose. Facciamo scontrare le cose così duramente che le parti interne dei protoni o elettroni, o quelle che sembrano le particelle fondamentali della materia, producono materia che altrimenti non vedremmo perché è nascosta nelle particelle.

L'unica differenza è che una Volkswagen puoi semplicemente parcheggiarla, alzare la cappotta, e usare gli attrezzi per smontarla. Nel caso di particelle,  non esistono attrezzi così piccoli perché gli stessi attrezzi sono fatti di particelle più grandi. Gli attrezzi sono fatti di atomi. Come si può prendere un coltello di atomi e tagliare qualcosa più piccolo di un atomo? Lo attraverserebbe. Quindi, in scala, non possiamo farlo. La meccanica quantistica rende migliori le cose stendendo un velo sulle dimensioni piccolissime. A simili proporzioni, rende tutto molto indistinto.

In un certo senso quella dimensione molto piccola non esiste. Si disperde in una bolla d'aria, e facendo scontrare le cose una contro l'altra con energia straordinariamente elevata, ci sarà  una probabilità minima che quando si colpiranno, libereranno la maggior parte di energia impiegata in quella collisione. La libereranno in qualcosa che è alla base della natura di quella particella. Anche questo è un effetto altamente quantistico.

Non che appaia letteralmente un pezzo di protone. Quando i protoni collidono, l'energia è enormemente elevata. Provoca gli effetti quantistici dentro il protone e produce l'altra materia basilare che permette al protone di essere quello che è. In un certo senso costituisce le regole del protone.

Stiamo esplorando tutta la parte probabilistica del protone. Cosa vive al suo interno, ossia, cosa lo fa funzionare nel modo in cui funziona. Non proprio tagliandolo a pezzi e poi guardando i pezzi.  Sembra tutto così impreciso fino a quando non ci addentreremo direttamente in quella che è la teoria del campo quantistico.

BH: Mi parli del CERN
David: Negli anni '50, subito dopo la II Guerra Mondiale, durante l'opera di ricostruzione di Germania, Austria, Inghilterra e Francia, la gente pensava ai veri progetti di pace che quei paesi avrebbero potuto portare avanti insieme. Alcuni grandi scienziati suggerirono lo sviluppo di un grande laboratorio multi-europeo che studiasse solo la scienza fondamentale, o solo la comprensione fondamentale di base, e non cose come la ricerca o addirittura l'industria degli armamenti. In un certo senso, qualcosa di puro che richiedesse un investimento reale, intellettuale e monetario da realizzare in modo completamente pacifico.

Il CERN nacque nella metà del 1954 e si trovava dov'è tuttora, al confine tra Svizzera e Francia; la Francia, perché stato membro della NATO e la Svizzera come nazione neutrale. Il laboratorio raggruppava 12 stati membri che 10 anni prima erano in guerra uno contro l'altro e adesso si stringevano assieme con l'unico scopo di riscattare veramente il nome della scienza - per pura ricerca e conoscenza in un'ambientazione di speranza e cooperazione pacifica. Da quel momento a oggi, quei paesi hanno intrapreso una ricerca scientifica fondamentale.

Negli anni '80, decisero di impegnarsi per proporre l'enorme progetto di un collisore. Scavarono un tunnel circolare lungo 27 chilometri e ci installarono impianti, magneti e altre attrezzature allo scopo di produrre fasci di particelle. Questo era quello che si prefiggeva la ricerca fondamentale negli anni '80. La loro capacità di esplorare le leggi fondamentali o il funzionamento delle cose al livello veramente più profondo si espresse con la necessità di far scontrare le cose tra loro a energie elevate. Per farlo, servono fasci di luce estremamente grandi per accelerarle avvicinandosi quasi alla velocità della luce. Negli anni '80, scavarono questo tunnel lunghissimo collocandoci i magneti, e produssero un esperimento dal nome LEPC (Large Electron Positron Collider).

A quel tempo, avevano immaginato un altro collisore a energia anche più elevata, l'LHC (Large Hydron Collider) e quell'esperimento, pianificato per decollare entro fine 2008, è andato sviluppandosi per oltre 20 anni. L'effettiva costruzione ebbe inizio nei primi anni '90. Adesso non solo gli esperimenti sono su più grande scala, ma lo è anche il numero degli stati membri. Oggi 20 stati fanno parte del CERN, e più di 100 nazionalità sono impegnate negli esperimenti. (Per l'elenco dei 20 stati e degli stati non-membri attualmente coinvolti nei programmi CERN, clicca QUI). Non solo ne fa parte tutta l'Europa operativa occidentale, oltre ai paesi dell'Est  - vecchi nemici ora collaboratori - ma anche paesi dell'estremo oriente come Giappone, Corea, India e persino il Medio Oriente. Nemici irriducibili come Israele e Iran vantano entrambi delle Università con gruppi di ricerca impegnati nell'LHC, sempre nel solo interesse di una ricerca basilare e di una scienza pura.

Il costo dell'esperimento è di circa 8 miliardi di dollari -  2 miliardi più, 2 miliardi  meno - nessuno sa la cifra reale. Non sappiamo la cifra esatta, ma migliaia di persone sono impegnate nella sua realizzazione, tra cui fisici e ingegneri a ogni livello e riceviamo aiuti anche da imprenditori esteri, con un enorme sforzo da parte di tutti.

Quando negli anni '80 proposero per la prima volta l'esperimento, in realtà la tecnologia non esisteva ancora. Lo proposero con la speranza di uno sviluppo della tecnologia e della futura scoperta di magneti più potenti. All'attivo c'era solo una enorme quantità di pura ricerca sperimentale e naturalmente teorica che equivale alla proposta di quello che potremmo vedere, del perché stiamo andando verso quelle energie e del significato in termini di leggi fondamentali della natura.

BH: Tra tutta questa gente, lei come si colloca?
David: Il mio gruppo ha progettato o previsto quali sono i modelli specifici della fisica particellare. Attualmente tengo conferenze e lezioni presso il CERN a grandi gruppi di sperimentalisti spiegando loro il significato dei tipi di teorie che dovrebbero ricercare, il senso di certi segnali e cosa vogliono perseguire realmente.

Una parte di tutto questo è l'ispirazione. Si potrebbe vedere una straordinaria simmetria, delle dimensioni  insolite, quale sarebbe l'aspetto, e parte di questa ispirazione li sta aiutando veramente con un quadro generale, progettando le loro analisi dei dati e il modo in cui dovrebbero progettare anche le parti del software dei rilevatori. Da teorico, cerco di prevedere a lungo termine cos'è la teoria del campo quantistico, cosa potrebbe fare, e cosa potrebbe fare la natura.

Attualmente (eravamo in prossimità dell'esperimento, ndr), il mio vero ruolo è spiegare le teorie e sviluppare, sempre in modo teorico, le conseguenze fenomenologiche di queste teorie in senso molto pratico, in modo che i ricercatori possano scoprire queste cose. Posso essere considerato un re o un giullare di corte.  Posso dirigere i miei collaboratori o semplicemente intrattenerli. Spero, entrambe le cose.

BH: E se non troveranno niente, le toccherà per certo il ruolo di giullare di corte?
David: Lo saremo tutti. Sarà devastante per il settore, e più profondamente per quelli che stanno lavorando sul serio a questo esperimento. È necessario un certo grado di ossessione,  perché è un'esperienza estremamente dolorosa imbattersi in vicoli ciechi e prevedere le cose. Puoi passare mesi cercando di immaginare qualcosa e poi accorgerti che non ha alcun senso. Sono quello che definiscono un “costruttore di modelli”, perché cerco realmente di scoprire la natura della  teoria, invece di calcolare e interpretare il significato di certe teorie. Ultimamente cerco di fare cose davvero utili per gli sperimentalisti, e questo vuol dire essere veramente creativi. Per usare un linguaggio professionale: stiamo osservando le top quirks, un tipo di particella molto pesante rispetto a tutte le altre conosciute, e riteniamo che osservando veramente il loro comportamento, saremo in grado di capire qualcosa di più profondo sulla domanda: cosa dà la massa alle cose, progettando la struttura dello spazio per far esistere gli atomi?

C'è un problema singolare, ossia come  si vedono le top quirks con questa macchina essendo tipi di particelle complicate che si disintegrano immediatamente e solo alcune parti sono visibili, e come si può ricostruire quello che si vedeva. Insieme ai miei studenti sto escogitando degli abili trucchi sul modo in cui si può scoprire tutto questo. Dobbiamo fare una sorta di calcolo tecnico, ma non è esplorativo come costruire i modelli e immaginare cosa potrebbe fare la natura.

BH: Perciò lei userà questa parte di attrezzatura di circa 27 chilometri per far scontrare le cose una contro l'altra. Cosa cerca esattamente?
David: Bella domanda. Ci sono due parti: una è, quali sono le teorie profonde, e l'altra, come appaiono realmente in questa macchina, e il sottile collegamento tra le due rende questa materia così difficile.

La teoria profonda, questa cosa che stiamo cercando proprio adesso, in termini tecnici si chiama "rottura della simmetria elettrodebole". La domanda normale è: che cosa, attorno allo spazio, fa si che l'elettrone abbia una massa?  All'inizio non si arriverebbe a credere che avere una massa sia qualcosa di speciale; una massa su larga scala, che è una raccolta di molecole e atomi, non è una quantità fondamentale, è solo la proprietà di qualsiasi materia si possa assemblare.

Quando si raggiunge un elettrone, se il campo dell'elettrone è fondamentale, la massa dell'elettrone diventa un parametro fondamentale della natura. Da qui deriva la teoria che sembra spiegare tutti i tipi di fisica delle particelle e di atomi standard, e tutte le particelle che costituiscono gli atomi necessitano di un certo tipo di evento nel primo universo per permettere all'elettrone di raccogliere la massa.

L'idea è di costruire teorie per cui l'elettrone riceve la massa e la dinamica fondamentale, qualcosa che accade a uno o più campi per determinare il campo dell'elettrone e dargli una massa. Questo è fondamentale, perché se l'elettrone non ha una massa, non si attacca agli atomi perché va alla velocità della luce. Se va alla velocità della luce e non si attacca agli atomi, non ci sono atomi e strutture, non ci sono molecole, materia, universo; c'è solo gas.

Quindi, l'azione di dare una massa a un elettrone è fondamentalmente l'azione di creare la materia, tutta la materia che conosciamo.

Quello che abbiamo trovato sono le teorie che danno un senso alla spiegazione di questi fenomeni… gli elettroni ottengono una massa, gli atomi esistono… è una certa simmetria profonda. Nello spazio esiste una certa simmetria profonda o una struttura extra.

Una delle teorie, che probabilmente scuoterà qualche lettore, è letterale, fisica, dimensioni extra nello spazio. È la più probabile delle teorie? Difficile dirlo, ma da una certa prospettiva fisica/matematica, è una possibilità ragionevole e questa possibilità è che esistono dimensioni fisiche extra e la loro grandezza si può esplorare solo facendo collidere le cose una contro l'altra in modo estremamente violento.

In altre parole, sicuramente non ci spostiamo in dimensioni extra, perché ce ne saremmo accorti. Ma ci potrebbero essere dimensioni extra così piccole, che non procedono per sempre come sembrano fare le nostre dimensioni , ma come le dimensioni che si avvolgono su loro stesse. Quindi si può andare a una certa distanza e tornare al punto di partenza, e ora quella distanza è straordinariamente piccola, centinaia o migliaia di volte più piccola di un protone. Perciò non la sperimenteremo davvero nella vita di tutti i giorni.

Ma, d'altra parte, diventa una struttura basilare di cosa è lo spazio, e solo per quella ragione, se fosse vero sarebbe stupefacente. Quella struttura concede la possibilità di generare massa per l'elettrone, tutte queste particelle, creando questo effetto nello spazio e, cosa abbastanza stupefacente, ci vogliono certe  teorie dal principio molto profondo per ottenere quel tipo di struttura e lavorare in modo naturale.

Un'altra teoria è chiamata "super simmetria", che in un certo senso sembra più esoterica delle dimensioni extra. La super simmetria potrebbe essere considerata come le dimensioni extra quantistiche. Si estende spazio/tempo nelle dimensioni extra, ma quelle altre dimensioni non agiscono come le nostre dimensioni, non le attraversiamo. Sono discrete, nello stesso modo in cui le particelle a volte agiscono come onde e interferiscono l'una con l'altra. Il punto dello spazio in queste dimensioni extra interferisce con loro stesse o con altri punti nello spazio,  perciò diventa assolutamente impossibile spostarsi attraverso queste dimensioni.

Quelle dimensioni quantistiche producono risonanze che significano altre particelle, le quali in molti modi appaiono come copie esatte della particella che vediamo proprio adesso, quella che riteniamo la particella fondamentale. Così si manifesterebbe una simmetria tra le particelle che vediamo e tutto l'altro mondo di particelle la cui esistenza è prevista dalla super simmetria.

BH: L'altro mondo di particelle, è qualcosa a cui dovremmo poter accedere?
David: Naturalmente sì. Non è un altro mondo nel senso che c'è il nostro mondo e un mondo nascosto. No. Queste particelle sono…non è un altro mondo, è un altro gruppo di campi che esistono nello spazio dei quali non conoscevamo l'esistenza lì. Sono lì per una ragione di simmetria.

BH: Quindi non è Narnia?
David: No, non è Narnia. Nelle dimensioni extra si può immaginare di vivere in una parte di dimensioni extra che non è extra dimensionale. A distanze piccolissime, ci sono distanze multiple, ma a lunghe distanze non ci sono mondi multipli. Noi interagiamo o no con quel gruppo di particelle, e se non lo facciamo potremmo dire che c'è un altro mondo che vive proprio sopra di noi e non siamo riusciti a interagire con lui. Ma è sopra di noi e ci attraversa continuamente.

Proprio questa è l'altra cosa che stiamo cercando di scoprire con questa macchina, il tipo di struttura di quello che è la materia, l'atomo. Le nostre teorie dicono che finalmente siamo arrivati al vertice della sua comprensione. Stiamo per esplorarla.

Altre teorie parlano di una materia completamente diversa, la materia fisica oscura, che sembra esistere nell'universo, ma non è fatta di atomi, né di qualcosa mai visto prima. Quella materia sembra condividere con questa la scala di energia, qualunque sia la struttura della materia.

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

Vedi altri libri sull'argomento: http://www.macrolibrarsi.it/_scienze_quantiche_.php 

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