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Nell’ultimo post ho parlato del significato delle scoperte scientifiche e della radice profonda del nostro bisogno di esplorare l’Universo. Ho citato la scoperta delle leggi dell’elettricità e l’invenzione del laser. Poi mi sono detto: Ma questa è roba vecchia. Quali sono le scoperte della fisica dei nostri giorni? Dove si fanno, le scoperte, oggi?
Ho provato allora a immaginare una lista delle mie scoperte preferite fra quelle più recenti e fra quelle che speriamo di sentire annunciare nel prossimo futuro. Quelle che non si fa mai in tempo a trattare a scuola, e che i testi divulgativi presentano spesso in maniera confusa. E mi sono accorto che ci sono scoperte e scoperte e che non tutte appartengono alla stessa categoria. Ma partiamo dall’inizio…

Una delle mie scoperte preferite non è molto recente, ha un quarto di secolo. Ero uno studente di fisica e l’emozione di quei giorni ha dato un significato speciale agli argomenti che cominciavo a studiare. In certi film americani un personaggio chiede all’altro, Ti ricordi dov’eri quando hanno sparato a Kennedy? Noi, oggi, potremmo domandarci: Ti ricordi dov’eri quando sono crollate le Torri Gemelle? Per un fisico italiano della mia generazione potrei proporre — scherzosamente ma non troppo — la domanda: Ti ricordi dov’eri quando hanno dato il Nobel a Carlo Rubbia? (Io sì, me lo ricordo.)
Era il 1984. Di solito i premi Nobel arrivano con lentezza: Albert Einstein aspettò sedici anni prima di ricevere il suo. (No, non per la teoria della relatività.) Quell’anno non fu così. Carlo Rubbia e Simon van der Meer ricevettero il premio Nobel per la Fisica del 1984 per una scoperta avvenuta soltanto l’anno prima. Ma si trattava di una scoperta così decisiva che la sua importanza fu immediatamente chiara a tutta la comunità scientifica.
Nel 1983, al Super Proton Synchrotron del CERN, a Ginevra, un gruppo di più di 100 ricercatori guidato da Rubbia ottenne la prova sperimentale dell’esistenza di tre particelle elementari mai osservate prima, i bosoni vettori intermedi W⁺, W^- e Z⁰. In questi casi si parla spesso di "particelle subatomiche": eppure un solo bosone vettore pesa più di un intero atomo di ferro! La loro massa è così grande che per crearli è stata necessaria concentrare una enorme quantità di energia: una concentrazione di energia simile a quella presente quando l’Universo aveva soltanto un miliardesimo di secondo e la sua temperatura era di circa un milione di miliardi di gradi. Nello SPS del CERN furono ricreate quelle condizioni: e come risultato, in a piccola percentuale degli eventi realizzati, apparve la traccia sfuggente, ma inconfondibile — in gergo la chiamiamo la firma — della Z⁰.
La Z⁰ non è una particella stabile. La sua vita media è molto breve: circa 10^-25 secondi, un tempo che a un raggio di luce non basterebbe nemmeno per attraversare un nucleo atomico. In così poco tempo la particella non fa in tempo a lasciare alcuna traccia diretta di sé. Quelle che osserviamo sono le particelle prodotte dalla sua disintegrazione.
Proprio come nel diagramma qui a fianco: state guardando lungo il tunnel principale del CERN, in uno dei punti in cui avvengono gli urti nei quali sono create le nuove particelle. Come facciamo a sapere che in questo caso è stata creata una Z⁰? Dal centro del tunnel si allontanano due tracce che il computer disegna in colore azzurro. (Mi piacerebbe potervi dire che sono azzurre, ma non è così…) Le particelle attraversano le pareti del tunnel e sfuggono lontano: ma prima fanno scattare dei rivelatori. C’è un segnale giallo e un segnale violetto per ciascuna particella, e la grandezza del segnale ci indica l’energia della particella stessa. Se sommiamo l’energia delle due particelle troviamo il valore della massa della Z⁰: una Z⁰ si è prodotta e si è subito disintegrata in due muoni, schizzati via in direzioni opposte alla velocità della luce.
Quando si impara a leggere questo diagramma, si riesce quasi a vederla, la Z⁰…

Perché questa scoperta è così importante? Perché non è avvenuta a caso. La particella era esattamente dove doveva essere.
Nel 1846 l’astronomo Johann Gottfried Galle, seguendo i calcoli di Urbain Le Verrier, scoprì il pianeta Nettuno. Il cielo notturno è molto grande. Ma Le Verrier, studiando le piccole deviazioni di Urano dall’orbita prevista, aveva calcolato la traiettoria dell’ipotetico pianeta responsabile di quelle deviazioni e aveva previsto la posizione di Nettuno in quel periodo dell’anno. E Nettuno era proprio lì, ad appena 1° di distanza dalla posizione calcolata da Le Verrier. Gli occhi della teoria erano stati letteralmente capaci di catturare l’invisibile.
Tra la fine degli anni 1960 e gli anni 1970, Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam avevano proposto una nuova teoria per spiegare il comportamento delle particelle subatomiche fino ad allora scoperte. La loro teoria (che oggi chiamiamo Modello Standard) faceva però qualcosa di più: introduceva tre nuove particelle e prevedeva le loro masse. Nel 1983 Rubbia sapeva in quale intervallo di valori della massa cercare. E in quell’intervallo fra tutti gli intervalli possibili, esattamente con le proprietà previste, c’erano proprie le tre nuove particelle: Z⁰, W⁺ e W^-.
Forse ora capite il motivo della mia emozione da giovane studente di fisica. Una teoria, che io cominciavo a capire, era capace di "indovinare" l’esistenza di particelle che nessuno aveva mai visto prima. Questo voleva dire che la teoria era giusta. Che attraverso di essa era la realtà stessa che riuscivamo a intravvedere: una realtà fatta di oggetti lontanissimi, che esistono per tempi incredibilmente brevi e concentrano nelle proprie masse un’energia straordinaria. Una realtà remota dalla nostra esperienza: ma che la nostra teoria riusciva a toccare.
(Un po’ di emozione veniva anche, lo confesso, dalla notizia del premio Nobel assegnato a un italiano…)

Per me, scoperte come quella di Nettuno o dei bosoni vettori intermedi sono trionfi. L’obiettivo della fisica è scrivere le leggi della Natura. Ma una legge non ha alcun valore se si limita a formulare in un altro linguaggio, magari matematicamente più elegante, qualcosa che sappiamo già. Quello che pretendiamo è che le leggi ci permettano di scoprire qualcosa di nuovo, di vedere l’invisibile. Quando ci riusciamo, abbiamo la sensazione di avere fatto ciò che Einstein disse di voler fare: dare un’occhiata alle carte di Dio. Afferrare uno dei segreti che la Natura custodisce gelosamente.

Nel raccontare questa storia ho citato spesso il CERN, il grande centro di ricerca internazionale con sede a Ginevra. Molti di voi si ricorderanno che il CERN è stato al centro delle cronache di tutto il mondo nel settembre scorso. Qualcuno magari si starà anche chiedendo: A proposito, ma che fine ha fatto…?
Il 10 settembre 2008 al CERN è stato acceso il Large Hadron Collider, l’ultimo e più potente erede delle macchine con le quali Rubbia e gli altri scoprirono la Z⁰. LHC si spinge ancora oltre, raggiunge temperature più alte di quelle, si avvicina ancora di più a ricreare le condizioni esistenti nelle prime frazioni di secondo di vita dell’Universo. Quando all’inizio scrivevo delle scoperte che mi piacerebbe vedere annunciate nel prossimo futuro, pensavo in primo luogo a LHC. A dir la verità, a settembre credevo che oggi, con un po’ di fortuna, mi sarei potuto trovare a raccontarle come già avvenute, quelle scoperte. Ma LHC ha fatto una cosa che fanno le lampadine e i frigoriferi, ma che chissà perché non ci si aspetta che possa accadere a uno strumento così sofisticato: si è rotto. Un contatto realizzato male ha provocato un’esplosione nel serbatoio di elio liquido di uno dei giganteschi magneti a superconduttore. È stato necessario fermare tutto e svuotare i serbatoi. L’esplosione ha anche contaminato il tunnel principale con della fuliggine. Ve lo immaginate? Il più straordinario strumento scientifico della storia, sporco di fuliggine?!?
In ogni caso, ci tocca aspettare. Se tutto va bene (incrociate le dita, per favore), si riparte a settembre. Allora ricomincerà la caccia alla prossima scoperta. Come venticinque anni fa, cerchiamo una particella prevista dal Modello Standard. Allora era la Z⁰, oggi si tratta del bosone di Higgs. Ci sono delle somiglianze, come vedete. Ma anche delle differenze profonde. E la scoperta del bosone di Higgs, se scoperta sarà, avrà un significato e un sapore molto diversi da allora.

Però, tanto per cambiare, ho scritto troppo. Bisogna che rimandi la conclusione a un’altra volta…

Per approfondire:

La pagina di Wikipedia sui bosoni vettori intermedi.

Il sito del CERN rivolto al pubblico.

L’immagine della prima osservazione di una Z⁰.

Sulla Luna c’è uno specchio. Ce n’è più d’uno, a dir la verità. Gli astronauti delle missioni Apollo 11, 14 e 15 ne hanno tutti lasciato uno, che guarda verso la Terra. "Guardare" è proprio il termine giusto. Perché questi specchi, detti retroriflettori, hanno una caratteristica molto utile. Da qualunque angolo li si osservi, lo specchio rimanda l’immagine dell’osservatore. Lo segue, per così dire, con gli occhi…

La prima cosa da spiegare è cosa ci faccia uno specchio sulla Luna. Serve a misurare in maniera estremamente precisa la distanza fra la Terra e la Luna. Tutto comincia con la velocità della luce nel vuoto, che è una delle costanti universali meglio conosciute di tutta la fisica, e vale esattamente 299 792 458 m/s. Esattamente: infatti il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 792 458 s.

Supponiamo di inviare un fascio di luce verso la Luna e di misurare il tempo che ci mette a tornare indietro: circa due secondi e mezzo. Immaginiamo di misurare questo intervallo di tempo con molta precisione, diciamo con una precisione di un picosecondo, ovvero di un millimiliardesimo di secondo, o 10^-12 s. (I nostri migliori cronometri sono un milione di volte più precisi di così, ne abbiamo già parlato.) Allora potremo conoscere la distanza Terra-Luna con una precisione di un millimiliardesimo del suo valore, il che equivale a pochi millimetri.

Non che sia facile. Le turbolenze dell’atmosfera rendono incerto il valore della velocità della luce e vanno adeguatamente compensate nei calcoli. Ma questa è la parte meno complicata. Le turbolenze sono casuali e comportano deviazioni dal risultato corretto che sono con la stessa probablità in eccesso o in difetto: basta effettuare molte misure e poi prendere la media fra esse, per correggere l’errore. Certo, se vogliamo una grande precisione dobbiamo fare centinaia di migliaia di misure. Ma questo è soltanto un problema pratico, niente di più.

Un altro problema è che l’esperimento non si può fare con una torcia tascabile. (Ci avevate già fatto un pensierino? Peccato…) La luce della torcia si sparpaglia su un’area sempre più grande a mano a mano che si allontana e diventa rapidamente troppo debole. Serve una sorgente luminosa molto più intensa e soprattutto ci serve un fascio che si sparpagli il meno possibile. Che sia, come dice in linguaggio tecnico, molto ben collimato. Useremo un raggio laser, naturalmente. È per questo che la tecnica si chiama LLR, Lunar Laser Ranging.

Anche un laser, però, si sparpaglia almeno un po’. E poi, noi vogliamo che lo faccia. Se il nostro fascio fosse troppo stretto, sarebbe troppo difficile farlo cadere esattamente sullo specchio, che è un bersaglio di pochi metri posto a quasi 400 000 km di distanza. Il fascio usato dal McDonald Observatory in Texas è largo 6,5 km quando colpisce la Luna. Anche così, intercettare lo specchio è come colpire una monetina a 3 km di distanza — e la Luna non sta neanche ferma! Spalmata su un’area così ampia, l’intensità del fascio è estremamente debole. Così debole che nelle condizioni migliori torna indietro meno di un fotone (una singola particella di luce) al secondo.

Ma a che serve tanta precisione? Qual è l’utilità scientifica di conoscere con una precisione di qualche millimetro la distanza fra lo specchio da 30 pollici dell’esperimento LLR e lo specchio lasciato sulla Luna da Buzz Aldrin e Neil Armstrong nel 1969? Il fatto è che, se conosciamo quella particolare distanza con grande precisione, possiamo misurare anche le piccolissime variazioni che essa subisce nel tempo. Queste variazioni hanno una grande importanza teorica.

Una delle domande più interessanti a cui lo LLR cerca di dare una risposta accurata è questa: C’è differenza nel modo in cui la Terra e la Luna sono attratte dal Sole? Per effetto della gravità del Sole, entrambi i corpi celesti cadono verso quest’ultimo; ma poiché hanno anche un moto perpendicolare alla distanza che li separa dal Sole, non cadono davvero sul Sole, ma intorno ad esso. Ciascuno di noi, abitanti della Terra, lo fa. Oggi è una bella giornata di sole, e io sto cadendo verso l’astro luminoso con una accelerazione di circa 6 mm/s². Anche voi, però. Anche la mia sedia, che infatti non resta indietro mentro io mi sollevo lentamente ma inesorabilmente. L’intero pianeta ha un’accelerazione di 6 mm/s² verso il Sole, e come risultato nessuno se ne accorge.

È lo stesso principio del fenomeno detto "assenza di peso" per gli astronauti in orbita. In realtà gli astronauti pesano eccome verso la Terra: altrimenti si perderebbero nello spazio, invece di restare in orbita. Il peso non smette di esserci. Ma lo Shuttle cade verso la Terra (di nuovo: intorno alla Terra) esattamente con la stessa accelerazione degli astronauti. E questi fluttuano, come succede ai passeggeri di un aereo che effettua alcuni secondi di volo in caduta libera. Lo chiamano Vomit Comet, ci sarà un motivo…

Ma è esattamente così? Galileo, Newton e Einstein pensavano di sì. Ma se scoprissimo che la Luna cade verso il Sole con un’accelerazione lievemente diversa da quella della Terra, sarebbe un risultato straordinario. Ecco uno dei motivi per cui è importante controllare le minuscole variazioni della distanza fra il Texas e la Luna. Conosciamo il valore previsto da Newton e da Einstein, possiamo confrontarlo con gli esperimenti. E, sì, per ora hanno ancora ragione loro.

P.S. Ma come fa, lo specchio sulla Luna, a rimandare esattamente indietro la luce che gli inviamo? Perché non la riflette chissà dove, come faceva lo specchietto con il quale giocavo ai segnali Morse da ragazzo in cortile? Io vi dirò soltanto che è un retroriflettore cubico e che chiunque di voi può farsene uno in casa. Vediamo se qualcuno scopre di cosa si tratta…

Per saperne di più:

Wikipedia sull’esperimento LLR

La home page dell’esperimento

La NASA a proposito degli specchi sulla Luna