La scoperta del bosone di Higgs al grande acceleratore LHC del Cern, la cui predizione di quasi cinquant’anni fa è stata premiata con il premio Nobel per la fisica 2013, completa la verifica sperimentale dell’attuale teoria delle interazioni fondamentali, il cosiddetto “Modello Standard”. Dopo oltre vent’anni di esperimenti di crescente precisione, a partire dalla scoperta delle particelle W e Z che fu premiata con il Nobel a Carlo Rubbia nel 1984, ogni dettaglio di questa teoria è stato verificato con accuratezza crescente e spesso stupefacente, senza che sia mai emersa alcuna discrepanza, per quanto minuta. Questo fatto è sorprendente. Infatti, abbiamo ragioni sia teoriche che sperimentali di ritenere che il Modello Standard non possa essere una teoria completa. Il Modello Standard non include i fenomeni gravitazionali e questo, a distanza sufficientemente piccola, porta a delle inconsistenze teoriche. Distanze piccolissime davvero: un decimo di milionesimo di milionesimo di milionesimo del raggio del protone, che a sua volta è un miliardesimo di milionesimo di metro circa. A queste distanze surrealmente piccole, il Modello Standard non può essere corretto: porterebbe a predizione contraddittorie.
Dal punto di vista sperimentale sappiamo, da dati cosmologici, che oltre l’80% della materia nell’universo non può essere costituita dalle particelle attualmente note e descritte dal Modella Standard. Alcuni, come Stephen Hawking, si aspettavano che il bosone di Higgs non sarebbe stato scoperto e il Modello Standard avrebbe rivelato la propria inconsistenza negli esperimenti del Cern. Altri, che sarebbe stato scoperto, ma che sarebbero state scoperte nuove particelle o nuovi fenomeni. Il bosone di Higgs è stato scoperto ma i nuovi fenomeni no. Non possiamo escludere una scoperta sorprendente nei prossimi anni, ma la frontiera si sta sempre più spostando verso la “fisica di precisione”: la ricerca di nuovi fenomeni attraverso la ricerca di minuscole deviazioni tra predizioni teoriche molto accurate e misure di altissima precisione. Queste misure possono essere fatte sia direttamente, allo stesso LHC: ad esempio misurando con crescente precisione le proprietà del bosone di Higgs appena scoperto. Ma anche in contesti più familiari, misurando con crescente precisione le proprietà di particelle già ben note e studiate, alla ricerca di minuscoli effetti nascosti. L’esperimento ACME, una collaborazione di tre gruppi che includono alcuni dei più celebri fisici atomici al mondo, delle università americane di Harvard e Yale, ha come obiettivo di cercare possibili deviazioni dal Modello Standard attraverso misure di precisione di una importante proprietà dell’elettrone.
Si tratta di un esperimento dalle caratteristiche molto diverse da quelli del Cern: la fisica atomica non è mai diventata “big science”, basti pensare che la collaborazione ACME comprende una ventina di persone, mentre ciascuno dei due esperimenti (ATLAS e CMS) con cui è stato scoperto il bosone di Higgs oltre tremila. In questo esperimento, una proprietà sottile dell’elettrone viene misurata indirettamente, osservando il comportamento di molecole singole quando vengono soggette a un campo magnetico. L’elettrone è un oggetto elementare, quindi senza estensione. Tuttavia, la meccanica quantistica prevede che anche gli oggetti elementari acquisiscano una forma e un’estensione quando non sono isolati, perché il principio d’indeterminazione fa sì che il concetto di oggetto isolato perda di significato: qualunque oggetto, se osservato abbastanza da vicino, si rivela essere la sovrapposizione di più oggetti che vivono per un tempo troppo breve per poter essere individuati con precisione. La forma di qualunque oggetto, e in specie quella di un oggetto semplice e ben capito come l’elettrone, rivela così la natura delle interazioni che lo dotano di struttura. Una caratteristica sorprendente del Modello Standard è di possedere alcune simmetrie approssimate. Ad esempio, nel Modello Standard le leggi della fisica sono quasi invarianti quando si inverte la freccia del tempo: in linea di massima, se un film di reazioni tra particelle elementari viene proiettato all’inverso è quasi impossibile capirlo.
Quasi, ma non del tutto. Una simmetria approssimata è sorprendente perché è instabile: una simmetria ha una validità assoluta, una simmetria approssimata chiama in causa la precisione con cui la si misura. Approssimata rispetto a che cosa? E in effetti, non appena si prova ad immaginare una teoria al di là del Modello Standard, in cui ci sono leggi nuove e nuove particelle a distanze sufficientemente piccole, eventuali simmetrie approssimate, quindi del tutto accidentali, possono e spesso devono essere violate. L’esperimento ACME misura l’invarianza per inversione temporale in un modo indiretto e sottile, che coinvolge il modo in cui gli elettroni si comportano quando sono immersi in un campo elettrico, e il modo in cui questo loro comportamento influenza le proprietà delle molecole in cui essi sono legati. Nuovi risultati, pubblicati in forma preliminare il 7 novembre, hanno verificato la simmetria approssimata predetta dal Modello Standard, con un’accuratezza dieci volte maggiore rispetto a misure preesistenti. Quando si traduce questo risultato in un limite sulla presenza di nuova fisica o nuove particelle, si ottiene un limite altrettanto se non più restrittivo di quelli trovati negli esperimenti del Cern. Insomma, la sorprendente validità del Modello Standard si conferma ancora una volta; e ancora una volta la speranza di trovare un indizio su ciò che sta dietro alla teoria attuale è delusa. Sembra che la Natura voglia suggerirci che siamo su una falsa pista. Ma, per ora, si tratta di un suggerimento che non riusciamo a capire fino in fondo.
