Maiani e la magia dei quark


  • Qualche volta la fisica teorica sembra magia pura: quando gli scienziati riescono a prevedere l'esistenza di qualcosa che nessuno aveva mai osservato prima, e neppure sospettato potesse esistere. Due esempi di questa capacità del pensiero scientifico sono le predizioni dell'esistenza di Nettuno e dell'esistenza delle onde elettromagnetiche. Nel 1821, l'astronomo francese Alexis Bouvard deduce l'esistenza di un nuovo pianeta, poi chiamato Nettuno, osservando le irregolarità del moto di Urano. Il pianeta viene osservato nel 1846. Ancora più sorprendentemente, nel 1864 il grande fisico scozzese James Clerk Maxwell pubblica delle equazioni per descrivere i fenomeni magnetici ed elettrici, e comprende che queste equazioni implicano l'esistenza delle onde elettromagnetiche, mai osservate prima. Le onde vengono prodotte e rivelate nel 1886 da Heinrich Hertz, e usate poco dopo da Guglielmo Marconi per costruire la prima radio, aprendo le porte a tutta la moderna tecnologia delle telecomunicazioni.
    È già sorprendente che la scienza riesca spesso a prevedere dei fenomeni fisici prima di osservarli, ma quando gli scienziati riescono a dedurre per via solo teorica l'esistenza di un oggetto, o un'intera classe di oggetti, allora la forza del pensiero scientifico ci lascia esterrefatti. Questa è la scienza al suo meglio.


    Una delle più belle realizzazioni recenti di questa capacità visionaria della scienza è stata celebrata lunedì scorso a Grenoble dal più ambito premio Europeo per la fisica teorica: il premio 2011 della European Physical Society per la Fisica delle particelle e delle alte energie. Gli scienziati onorati dal premio sono l'italiano Luciano Maiani insieme con l'americano Sheldon Lee Glashow, premio Nobel nel 1974, e il fisico greco John Iliopoulos. La scoperta di Glashow, Iliopoulos e Maiani ha il fascino dei grandi passi della scienza. Negli anni Sessanta si era ormai chiarito che la materia era formata interamente da poche particelle elementari: in particolare gli elettroni, che orbitano intorno ai nuclei degli atomi, e i protoni e i neutroni, di cui sono formati i nuclei atomici. A loro volta, protoni e neutroni, sono formati da particelle più piccole chiamati quarks. Il nome quark non significa nulla: era stato introdotto nel 1963 dal fisico americano Murray Gell-Mann semplicemente perché i quarks erano tre. Al tempo della scoperta Gell-Mann stava leggendo il romanzo Finnegans Wake di James Joyce, dove appare la frase senza senso «Three quarks for Muster Mark!», cioè «Tre quarks per Muster Mark!». Ispirato dal fatto che i quarks fossero appunto tre, Gell-Mann aveva adottato il nome «quark» per queste particelle elementari di cui è fatta tutta la materia solida intorno a noi.


    Ma sono davvero tre, i quarks? Certo, solo tre quarks erano stati osservati in tutti gli esperimenti degli anni Sessanta. Erano stati chiamati quark up, quark down e quark strange, cioè quark sopra, quark sotto e quark strano, i primi due semplicemente perché nella notazione usata dai fisici stavano di solito scritti in colonna uno sopra l'altro, e il terzo, il quark strano, perché è più elusivo degli altri e non appare nella materia ordinaria, cioè nei protoni e nei neutroni (che sono fatti solo di quarks up e down), ma solo in certi processi più rari della fisica delle particelle, quando le particelle si scontrano trasfomandosi l'una nell'altra. Dunque, tre quarks, e solo tre, per Muster Mark. Ma nel 1970, Glashow, Iliopoulos e Maiani pubblicano un lavoro sorprendente, in cui sostengono che deve esistere un quarto quark. L'argomento presentato nel lavoro è simile al ragionamento con cui Alexis Bouvard deduce l'esistenza del pianeta Nettuno osservando strane perturbazioni dell'orbita di Urano. Ma è molto più sottile: Glashow, Iliopoulos e Maiani partono dalla osservazione sperimentale che certe reazioni fra particelle elementari che dovrebbero essere possibili, in effetti non sono state osservate, e si chiedono perché. La teoria basata su tre quarks, in particolare, prevede trasformazioni in cui due quarks di tipo strange sono creati dall'urto di altre particelle, ma queste trasformazioni non le vediamo mai accadere nei laboratori. Con un conto dettagliato, Glashow, Iliopoulos e Maiani mostrano che se esistesse un quarto quark, allora questo darebbe origine a una trasformazione che cancellerebbe esattamente la trasformazione predetta dalla teoria a tre quarks. È un ragionamento audace, che suona un po' Sherlock Holmes, perché parte dall'osservazione che qualcosa non succede, per dedurre l'esistenza di un oggetto fisico, che non è mai stato osservato prima. Ma pochi anni dopo, fra il 1974 e il 1976, una serie di esperimenti all'acceleratore lineare di Stanford a Palo Alto in California e al Brookhaven National Laboratory vicino a New York, scoprono precisamente le particelle predette da Glashow, Iliopoulos e Maiani.


    Oggi questa particella, che è stata chiamata quark charm (qualcosa come "il quark con fascino"), è riconosciuta come uno dei mattoni fondamentali di cui è fatto l'universo, e le sue caratteristiche sono descritte nei testi di base di fisica in tutte le università del mondo. La bellezza e l'audacia del ragionamento di Glashow, Iliopoulos e Maiani è sorprendente, e questo ragionamento, oggi chiamato, nel gergo dei fisici "Meccanismo GIM", dalle iniziali dei tre fisici, è spesso ricordato come un modello da seguire. Dall'assenza di un fenomeno fisico, G, I, ed M sono riusciti a comprendere l'esistenza di uno degli ingredienti di base del mondo fisico.

     

    Luciano Maiani, oltre a essere uno dei più brillanti scienziati della generazione che ha fatto la grande fisica della metà del secolo scorso, è oggi in Italia presidente del Cnr, il Consiglio nazionale delle ricerche, cioè l'istituzione che ha come compito di governare la ricerca italiana. In un paese dove non sempre le responsabilità sono congiunte al merito, è bello per una volta essere orgogliosi che le nostre istituzioni siano guidate da uno scienziato di grandissimo valore.

      

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