Fisica delle Particelle Elementari

La Fisica delle Particelle elementari, detta anche “fisica delle alte energie”, studia i costituenti fondamentali della materia, le cosiddette particelle elementari, e le loro interazioni attraverso esperimenti che si avvalgono di macchine acceleratrici sempre più potenti. Per la nota equivalenza massa-energia (E=mc²), disporre di energia sempre più alta significa che è possibile “creare” particelle di massa sempre più elevata, e con proprietà nuove. Ciò è possibile solo utilizzando speciali apparecchiature note come “acceleratori di particelle”, i quali appunto consentono di accelerare particelle cariche a velocità e quindi energie elevatissime. Queste particelle vengono fatte collidere fra di loro e negli urti si possono produrre altre particelle, non presenti in natura in condizioni ordinarie nella fase attuale della vita dell'Universo, che a loro volta decadono in altre particelle figlie. Dall’analisi di tali decadimenti è possibile risalire alle caratteristiche della particella madre. L’identificazione delle particelle che emergono dalle collisioni si fa tramite i rivelatori, cioè strutture composte da una serie di apparati che misurano le caratteristiche (energia, traiettoria) delle particelle stesse e ne determinano la tipologia.

L’origine storica della Fisica delle Particelle elementari può essere fatta risalire ai filosofi greci, e in particolare a Democrito e la sua teoria atomica. In realtà solo con l’avvento del metodo scientifico lo studio delle particelle elementari assume la valenza di disciplina sperimentale. I primi pionieristici studi sono quelli di Rutherford finalizzato alla comprensione della struttura dell’atomo, con la conseguente scoperta dell’esistenza del nucleo atomico, e di Thomson con la scoperta dell’elettrone. Anni dopo arriveranno le scoperte dei nucleoni e dei raggi cosmici. A questo punto la Fisica delle Particelle elementari si differenzia dalla Fisica Nucleare, con quest’ultima indirizzata soprattutto alla comprensione della struttura del nucleo atomico, mentre la prima si orienta allo studio dei mattoni ancora più piccoli e fondamentali.

Lo studio approfondito dei raggi cosmici e l’uso degli acceleratori permettono uno straordinario avanzamento delle conoscenze tra gli anni '30 e gli anni ’50 del secolo scorso, con la scoperta di una moltitudine di particelle e la successiva classificazione di queste ultime grazie al modello a quark. Tra gli anni ’60 e ’70 viene sviluppato il cosiddetto “Modello standard" delle particelle e delle interazioni fondamentali, che si propone di descrivere le particelle note e le loro interazioni in un’unica architettura teorica.

Il trionfo del Modello Standard avviene con le scoperte sperimentali degli anni ’70, che confermano pienamente e talvolta in modo spettacolare le previsioni teoriche del Modello: l’osservazione delle “correnti neutre” con il rivelatore Gargamelle al CERN di Ginevra, la scoperta del quark beauty al Fermilab negli Stati Uniti, fino ad arrivare alla produzione in laboratorio delle particelle responsabili dell’interazione debole, le particelle W e Z, avvenuta nel 1983 al CERN di Ginevra a opera di un gruppo di ricerca guidato dall’italiano Carlo Rubbia. Negli anni ’90 la scoperta del quark top al Fermilab rappresenta una pietra miliare per la Fisica delle Particelle: i sei quark predetti dal Modello Standard sono così tutti osservati sperimentalmente. Contemporaneamente il grande anello di accumulazione per elettroni e positroni, il LEP al CERN di Ginevra, effettua moltissime misure di grande precisione, che risultano tutti in perfetto accordo con le predizioni teoriche. All' alba del nostro secolo, il Modello Standard aveva collezionato moltissimi successi ma non aveva ancora esaurito gli argomenti di ricerca. Innanzitutto il Modello Standard prevedeva l’esistenza di una particella non ancora osservata, chiamata Bosone di Higgs.

Inoltre, il Modello Standard non riesce a rispondere ad alcune delle domande fondamentali sulla natura: perché esistano tre famiglie di quark, perché la loro massa sia così diversa, perché in natura osserviamo molta più materia che antimateria. E ancora, altri aspetti della natura non ancora compresi non trovano spiegazione nell’ambito del Modello Standard: la materia oscura e l’energia oscura, che compongono la maggior parte dell’Universo, e l’unificazione in un quadro teorico coerente della descrizione della Gravità con quella delle altre interazioni fondamentali: le interazioni elettromagnetica, debole e forte. Per comprendere queste questioni aperte i fisici teorici sviluppano delle nuove teorie che non contraddicono il Modello Standard, ma lo includono come caso particolare. Questi modelli, detti appunto Modelli "oltre il Modello Standard", come ogni modello necessitano tuttavia di un riscontro sperimentale.

Sia per "completare" il Modello Standard che per investigare la fisica "oltre" il Modello Standard, all' inizio del secolo in corso i fisici sperimentali hanno costruito un nuovo acceleratore alla frontiera attuale della tecnologia, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. Con l'entrata in funzione di LHC nel 2010 il Modello Standard ha visto un ulteriore (e presumibilmente finale) spettacolare trionfo: l' osservazione del bosone di Higgs annunciata al mondo il 4 luglio 2012, 48 anni dopo che la sua esistenza era stata congetturata teoricamente! Dopo la scoperta, il lavoro sperimentale a LHC prosegue a pieno ritmo sia per lo studio in dettaglio delle proprietà del bosone di Higgs previsto come meccanismo con cui si genera la massa delle particelle, sia per cercare indizi osservativi che contribuiscano a formulare le risposte ai quesiti ancora aperti, i quali potranno trovare coerente descrizione solo in una teoria più ampia del Modello Standard.

Nel frattempo, gli scienziati stanno già pensando a acceleratori ancora più grandi e potenti di LHC, che i progressi incessanti della tecnologia renderanno realizzabili nei prossimi decenni, e che daranno la possibilità alle prossime generazioni di fisici di scoprire quella "nuova fisica" che potrebbe fornire le risposte ai quesiti attualmente irrisolti.

Le macchine acceleratrici e gli esperimenti che misurano le particelle prodotte nelle collisioni sono apparati altamente complessi, in ogni momento al limite della tecnologia esistente. La ricerca e lo sviluppo per la messa in opera di questi programmi produce ricadute dirette sulla società, un esempio classico è il World Wide Web (WWW), nato per far comunicare efficientemente gli scienziati delle grandi collaborazioni scientifiche internazionali, ma che è diventato uno strumento di comunicazione globale. Molte altre sono che le ricadute industriali e in campo medico, per es. gli strumenti di diagnostica avanzata (Risonanza Magnetica Nucleare, PET) e la cura dei tumori con la terapia adronica.

Le collaborazioni che partecipano alla costruzione e all' utilizzo di questi apparati sono composte da centinaia o anche migliaia di fisici provenienti da istituti e laboratori di tutto il mondo. Si tratta di esempi di cooperazione internazionale in cui lavorano i migliori fisici del pianeta e in cui gli studenti e i giovani possono acquisire esperienze e conoscenze fondamentali. In questo contesto, il gruppo di Fisica delle Particelle del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" dell’Università di Catania, che lavora in sinergia con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), partecipa agli esperimenti CMS e LHCf presso l’acceleratore LHC, e al progetto RD_FA.

• L’esperimento CMS è un grande rivelatore montato in corrispondenza di uno dei punti di incrocio dei fasci di protoni di LHC. Il suo obbiettivo è osservare i prodotti delle collisioni protone-protone per tentare di capire i processi e le particelle prodotte nelle collisioni. Dopo la scoperta del bosone di Higgs, i suoi obbiettivi principali sono lo studio approfondito delle sue proprietà e lo studio di "nuova fisica" oltre il Modello Standard, quale le cosiddette "Supersimmetrie".
• L’esperimento LHCf tenta di osservare i prodotti delle collisioni protone-protone simili ai prodotti delle collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, al fine di comprendere i meccanismi di interazione e produzione dei raggi cosmici.
• Il progetto RD_FA fa ricerca e sviluppo di nuove idee e nuove soluzioni tecniche per la costruzione di nuovi e più potenti futuri acceleratori e degli apparati sperimentali che ne possano sfruttare le potenzialità, avendo come linea guida della progettazione sia degli acceleratori che dei rivelatori le questioni di fisica ancora aperte che si vogliono investigare.

Ultimo aggiornamento: 27 novembre 2019, Salvatore Costa