Caccia alla prima anomalia dell’universo

Oltre 400 scienziati si riuniscono a Roma con un sogno: costruire il più grande acceleratore di particelle della storia

Guido Tonelli racconta l’impegno per realizzare la macchina che produrrà milioni di bosoni di Higgs

l’ostacolo in un’impresa ancora più ambiziosa.

Si pensa a una manovra a tenaglia per non lasciare scampo alla nuova fisica, ovunque essa si nasconda.

Costruire prima una macchina gigantesca, un acceleratore di 100 chilometri per far collidere elettroni e positroni: una fabbrica di Higgs, per produrne milioni in condizioni sperimentali ideali e studiarne con precisione tutte le caratteristiche. Le nuove particelle, che spiegherebbero la materia oscura o nuove interazioni che ci porterebbero alle dimensioni nascoste del nostro universo, potrebbero essere scoperte in maniera indiretta, attraverso le più incredibili misure di precisione dei parametri del modello standard che mai siano state concepite. E quando, analizzando i dati con grande cura, una ragazza indiana, o un post-doc cinese trovasse un’anomalia e misurasse la più piccola delle deviazioni, ecco che, di colpo, il bel castello di congetture, di cui siamo così orgogliosi, crollerebbe in un istante e dovremmo abbandonare il modello standard per una nuova teoria più generale.

Si prevede poi una seconda fase: equi- paggiare lo stesso tunnel con magneti due volte più potenti di quelli di Lhc e usare fasci di protoni per raggiungere l’energia di 100 TeV. Se non basteranno le misure di precisione si passerà alla forza bruta: spingendo al massimo sull’energia si riuscirà a scoprire qualunque stato della materia che abbia una massa fino a qualche decina di TeV. Eccola qui la macchina dei sogni per ogni fisico sperimentale.

Il bosone di Higgs nasconde ancora molti misteri e ci può raccontare molto dell’universo materiale che ci circonda. Non solo non abbiamo spiegazioni convincenti per la materia oscura che tiene assieme le galassie o per la particella che ha scatenato quella crescita parossistica originaria che chiamiamo inflazione. La questione della asimmetria fra materia e antimateria è tuttora uno dei misteri che non siamo riusciti a risolvere. Non c’è motivo di pensare che nel Big Bang si siano prodotte quantità diverse di materia e antimateria e sappiamo che se due specie così diverse entrano in contatto fra loro si annichilano in un lampo di luce. Perché allora l’una è scomparsa completamente ed è sopravvissuta soltanto la materia ordinaria che occupa l’ universo intero?

Per decenni si è pensato che tutto fosse dovuto a una qualche differenza nel comportamento di materia e antimateria, ma i risultati ottenuti non sono conclusivi.

Una nuova ipotesi si è affacciata con prepotenza negli ultimi anni. Tutto potrebbe essere stato determinato da qualche dettaglio di quel momento magico della nostra esistenza in cui il bosone di Higgs ha preso il centro della scena e ha rotto quella perfetta simmetria che dominava l’universo primordiale.

La nuova macchina da 100 TeV sarà lo strumento ideale per studiare il potenziale dell’Higgs lontano da quella posizione di equilibrio in cui riposa tranquillo fin dai tempi del Big Bang. Ci permetterà di osservare, per la prima volta, cosa è successo veramente in quel momento cruciale.

Sappiamo che il mondo materiale che ci circonda ha una specifica struttura che è stata definita in quell’istante. Ma come è veramente avvenuta quella transizione?

Con la nuova macchina ricostruiremo in dettaglio, fotogramma per fotogramma, il film della nascita imperfetta delle cose. E forse scopriremo che il bosone di Higgs ha una leggerissima preferenza ad accoppiarsi con la materia anziché con l’antimateria. Oppure che è stato determinante il modo con cui è avvenuta la transizione di fase. Tutto si è forse deciso quando si sono formate le prime minuscole bolle di quello strano vuoto in cui l’interazione debole si separava definitivamente da quella elettromagnetica. Alla superficie di queste bollicine in espansione rapida si può creare una leggerissima asimmetria fra materia e antimateria. Se il passaggio di fase è molto rapido questo minuscolo difetto può sopravvivere e diventare proprietà generale del tutto. Come quando si cresce un grosso cristallo e l’infinitesima dislocazione fra piani cristallini che interessa la prima aggregazione di atomi si propaga all’intero cristallo che si estrae dal crogiolo di fusione.

Potrebbe essere questa la sottile imperfezione da cui è nato tutto. Un’anomalia che dà origine a un universo materiale che può evolvere per miliardi di anni.

Per risolvere gli enormi problemi tecnologici del nuovo acceleratore, per ridurre i costi di un’infrastruttura così ambiziosa e complessa occorrerà molto lavoro. Ci vorranno anni, forse decenni, ma si riuscirà a scrivere, prima o poi, un altro capitolo cruciale della nostra storia.