Ricevi le email sui prossimi programmi NOVA e i contenuti correlati, così come i reportage sull’attualità attraverso una lente scientifica.
Da The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , un resoconto dall’interno della storia operativa dell’LHC e della ricerca del bosone di Higgs, di Don Lincoln. Pubblicato dalla Johns Hopkins University Press. Ristampato con il permesso dell’editore.
Il matematico dell’epoca vittoriana Augustus de Morgan ha scritto:
Le grandi pulci hanno piccole pulci sulla schiena per mordere
E le piccole pulci hanno pulci minori, e così ad infinitum.
E le grandi pulci, a loro volta, hanno pulci più grandi per andare avanti,
mentre queste hanno ancora più grandi, e ancora più grandi, e così via.
Questo passaggio spesso citato è una parodia di Jonathan Swift del 1733, On Poetry: A Rhapsody , che è stato scritto sulla poesia. Tuttavia, gli scienziati hanno preso queste righe come una metafora per il mondo naturale. Quando si impara a conoscere il micromondo, ci si trova rapidamente di fronte all’osservazione che tutta la materia è fatta di molecole. Le molecole sono a loro volta fatte di atomi che sono a loro volta fatti di elettroni e nuclei atomici. I nuclei sono fatti di protoni e neutroni e questi sono composti da quark.
Tuttavia, per quanto ne sappiamo, quark ed elettroni sono tutto. Questo è il capolinea per quanto riguarda la struttura. A differenza dell’atomo o del protone, che hanno una ricca struttura con interazioni complesse tra i loro componenti, si ritiene attualmente che i quark e gli elettroni non abbiano alcuna struttura interna. Sia teoricamente che fisicamente, sono considerati come punti matematici.
Naturalmente chiunque abbia un briciolo di immaginazione non può fare a meno di dire: “Ora aspettate un attimo. Perché i quark e i leptoni stessi non potrebbero avere una struttura interna?” Beh, c’è solo una risposta possibile ed è “potrebbero”. I quark e gli elettroni (e, per estensione, tutti i leptoni) potrebbero essere fatti di oggetti ancora più piccoli. Oppure potrebbero (piuttosto improbabilmente) essere davvero fondamentali (cioè, non avere parti più piccole, in altre parole, senza struttura).
Prima di procedere oltre, consideriamo le dimensioni coinvolte. Tutto nel micromondo è piccolo. Una singola molecola è così piccola che potreste metterne un milione una accanto all’altra in un solo millimetro. Sono così piccole che non si può usare la luce ordinaria per vederle. Eppure, oggetti così piccoli sono enormemente grandi: un miliardo di volte più grandi della frontiera della ricerca.
Le molecole sono composte da atomi, che sono grandi circa un decimo delle molecole. L’immagine mentale di un atomo come un piccolo sistema solare, con il sole come nucleo e gli elettroni planetari, è imperfetta e tuttavia non è senza merito. Mette in evidenza il fatto che un atomo consiste per lo più di spazio vuoto, con gli elettroni che turbinano freneticamente lontano da un piccolo e denso nucleo. Il raggio del nucleo è circa 10.000 volte più piccolo dell’atomo e occupa solo un trilionesimo del volume.
Il nucleo dell’atomo è composto da protoni e neutroni, stipati strettamente insieme. La mia immagine mentale del nucleo è una massa di uova di rana o di biglie dopo essere stata maneggiata da un bambino con le dita molto appiccicose. Ogni protone o neutrone è largo circa 10-15 metri, e ci vorrebbero un trilione di protoni disposti da un capo all’altro per coprire un solo millimetro. Questo è piccolo.
Protoni e neutroni contengono al loro interno quark e gluoni. Il modo più semplice per pensare a un protone è che ci sono due quark up e un quark down bloccati in un campo di forza di gluoni. Pensate a tre palline di plastica numerate in una di quelle macchine della lotteria ad aria compressa e avrete l’idea di base.
Ma l’immagine mentale dei quark come palle di plastica ha un grosso difetto. Le palline non sono molto più piccole di una macchina della lotteria. I quark sono piccoli. Forse un’immagine mentale migliore del protone sono tre piccole chiazze di polistirolo nella stessa macchina.
Allora cosa sappiamo delle dimensioni dei quark? Prima ho detto che non hanno dimensioni, ed è certamente così che la teoria attuale li tratta. Tuttavia, come sperimentatore, sono più interessato alle misure. Tu, il lettore, sarai curioso di sapere quali misure hanno rivelato la dimensione di un quark. E ora la risposta… rullo di tamburi per favore… non l’hanno fatto. Questo non significa che non sappiamo nulla delle loro dimensioni. Abbiamo studiato la questione piuttosto a fondo, e sappiamo esattamente quanto sia buona la nostra attrezzatura. Se i quark (e gli elettroni) fossero più grandi di circa diecimila volte più piccoli di un protone, avremmo visto che hanno una dimensione. In tutti i nostri esperimenti, non abbiamo mai visto nemmeno il minimo accenno credibile di una dimensione. Concludiamo quindi che, mentre non possiamo dire quale sia effettivamente la dimensione di un quark o di un elettrone, possiamo tranquillamente dire che se i quark hanno una dimensione, sono più piccoli di un decimillesimo della dimensione di un protone.
Se questa idea è difficile da capire, consideriamo quanto è piccolo un oggetto che puoi vedere con i tuoi occhi. Potete vedere facilmente un granello di sabbia. Con uno sforzo considerevole, potresti essere in grado di vedere il più piccolo pezzo di farina nella tua credenza. Ma questo è tutto. A occhio nudo, non puoi vedere nulla di più piccolo. Così, quando si decide di guardare un germe con l’occhio, si potrebbe concludere che non ha dimensioni, ma la conclusione strettamente corretta che si dovrebbe trarre è che i germi sono più piccoli di una minuscola chiazza di farina.
Con un’attrezzatura migliore, ad esempio un potente microscopio, si può vedere che i germi hanno effettivamente una dimensione misurabile. Quindi, una volta raggiunto il limite della tua attrezzatura, devi semplicemente ottenere un microscopio più potente. Il microscopio che è l’LHC e i suoi due rivelatori primari osserveranno le dimensioni dei quark se non sono meno di 20 o 30 millesimi delle dimensioni di un protone . . . oppure fisseranno un limite che è circa due o tre volte più piccolo di quanto si pensi attualmente.
Mentre le osservazioni, l’intuizione e la canzoncina di de Morgan possono essere sufficienti a sostenere un sospetto casuale che altri livelli di materia possano presentarsi a dimensioni sempre più piccole – un intero nuovo strato o serie di strati nella cipolla cosmica – ci sono anche ragioni più scientifiche. Per esempio, consideriamo la tavola periodica. Mentre Mendeleev la intendeva come uno schema organizzativo, con la formulazione della teoria dell’atomo nucleare e della meccanica quantistica nei primi decenni del ventesimo secolo, divenne chiaro che la tavola periodica era in realtà la prima indicazione della struttura atomica, mezzo secolo prima che noi comprendessimo veramente il messaggio della tavola.
Mentre la storia raccontata dalla tavola periodica accennava chiaramente alla struttura atomica, la storia della radiazione nucleare suggerisce anche la struttura del nucleo. Per esempio, il cesio (137 55 Cs, con cinquantacinque protoni e ottantadue neutroni) emette un elettrone e diventa bario (137 56 Ba, con cinquantasei protoni e ottantuno neutroni).
Prendiamo questi esempi storici e applichiamo il ragionamento al mondo moderno. Ci rendiamo conto che le lezioni storiche non sono sempre applicabili. Ma a volte lo fanno.
La nostra “tavola periodica” delle particelle è mostrata nell’immagine sopra. La sua organizzazione è diversa dalla tavola periodica chimica. Nella figura, ci sono sei tipi di quark. I quark up, charm e top hanno tutti carica +⅔ (in un sistema in cui la carica di un protone è +1) e la massa del quark charm supera quella del quark up, che a sua volta è superato dal quark top. Allo stesso modo, i quark down, strange e bottom hanno tutti carica elettrica -⅓, con la massa che aumenta man mano che si va verso destra.
Nella tavola periodica moderna, le unità “chimicamente simili” sono le righe, in contrasto con le colonne della tavola di Mendeleev. Vediamo che ci sono tre “generazioni” o copie di carbonio dello stesso modello di quark e leptoni. Questo ricorda molto i suggerimenti che la tavola periodica chimica ci dava nella seconda metà del XIX secolo.
C’è un’altra somiglianza storica da considerare. Proprio come i vari nuclei atomici possono decadere in altri nuclei, così anche i quark e i leptoni possono decadere. Un quark superiore può decadere in un quark inferiore e in un bosone W. Allo stesso modo, il muone può decadere in un elettrone e due neutrini. Sono possibili anche altri tipi di decadimento di quark e leptoni. Infatti, tutte le particelle della seconda e terza generazione alla fine decadono nelle particelle della prima generazione. Un indizio cruciale è che l’unica forza che può cambiare un quark o un leptone in un altro (si dice “cambiare il ‘sapore’ del quark o del leptone”) è la forza debole. Inoltre, specificamente solo il bosone W elettricamente carico può fare il lavoro.
Non ci sono prove concrete che la presenza di generazioni di quark e leptoni indichi che i quark e i leptoni siano essi stessi composti da particelle più piccole (finora non scoperte). Tuttavia, l’analogia storica è potentemente suggestiva e certamente merita maggiore attenzione. Il fatto che, emettendo un bosone W, si possa cambiare il sapore del quark o del leptone è un indizio estremamente prezioso che sta facendo gridare qualcosa di importante ai fisici.
Vorrei solo avere l’ingegno per capire cosa stava dicendo.
Tuttavia, anche senza l’intuizione cruciale che spalanca l’enigma, possiamo speculare intelligentemente sull’argomento e (molto più importante) setacciare i nostri cumuli di dati, alla ricerca di ulteriori indizi. Come in tutte le ricerche di nuovi fenomeni fisici, bisogna fare un’ipotesi educata su cosa cercare e poi cercarlo. Quindi, quali sono le probabili firme sperimentali della struttura dei quark?
Storicamente, uno dei posti migliori in cui cercare sono le collisioni più violente. Si schiacciano due oggetti insieme e si vede quante collisioni ci sono ad ogni livello di violenza. In particolare, si guarda la quantità di “violenza laterale”. Tecnicamente chiamiamo questo momento trasversale, che significa perpendicolare al raggio. Ci sono ragioni tecniche per questa scelta, ma per lo più è perché si deve colpire qualcosa di forte perché vada di lato rispetto alla sua direzione originale.
Oggi, la maggior parte dei fisici assume un atteggiamento di “attesa”, preferendo vedere quali suggerimenti ci darà l’universo. Anche così, sono stati proposti dei nomi per questi oggetti più piccoli dei quark, e il più popolare è “preone” (per pre-quark). Tuttavia, ogni fisico teorico che ha ideato una teoria ha inventato il proprio nome, con subquark, maoni, alfoni, quink, rishon, tweedles, helon, haplon e particelle Y che sono stati tutti proposti. A me piacciono i nomi quinks o tweedles.
Quale sarà la prossima grande scoperta? Non ne ho idea. Potrebbe essere uno degli argomenti menzionati qui. O, ancora più eccitante, potrebbe essere qualcosa di totalmente inaspettato; qualcosa che ci colpisce all’improvviso. Come si dice, il tempo ce lo dirà.