Dal nucleo al Cern - o i colori della libertà nella fisica delle particelle
Cosa ci dicono le minuscole particelle rinchiuse nei protoni su come è nato e come finirà l'universo? Questa settimana, il premio Nobel per la fisica David Gross terrà tre conferenze pubbliche all'ETH di Zurigo nell'ambito delle Paul Bernays Lectures sul tema "Un secolo di fisica quantistica - dalla fisica nucleare alla teoria delle stringhe e oltre".
Al centro dei nuclei atomici accadono cose che sembrano strane: Quando due particelle si avvicinano, la forza che agisce tra loro non diventa più forte, ma più debole. Al contrario, l'interazione tra loro diventa tanto più forte quanto più sono distanti. Come un elastico che tiene insieme due sfere, questa forza accoppia le particelle e le trattiene nel nucleo dell'atomo.
La fisica si riferisce a questa forza come "interazione forte" e la annovera tra le quattro forze fondamentali che determinano il comportamento di corpi, campi, particelle e sistemi. Le altre tre forze fondamentali sono l'interazione debole, l'elettromagnetismo e la gravità.
Gli effetti della "libertà asintotica
Intuitivamente, l'interazione forte contraddice l'esperienza che le persone hanno nella vita quotidiana. Anche per la fisica questo fenomeno, oggi noto come "libertà asintotica", è stato a lungo un paradosso. Fino al 1973, quando David Gross, David Politzer e Frank Wilczek riuscirono a dimostrare che una certa classe di teorie era quella giusta per descrivere in modo definitivo l'interazione forte e la "libertà asintotica". I tre sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 2004.
"Questa teoria e le previsioni che essa rende possibili hanno rappresentato un passo importante verso la finalizzazione del Modello Standard della fisica delle particelle", afferma Charalampos Anastasiou, l'ETH Professor of Theoretical Particle Physics. Il Modello Standard descrive le particelle elementari e le interazioni tra di esse.
"La ricerca di Gross ci ha aiutato a comprendere con maggiore precisione il comportamento delle particelle. Questo ha fatto progredire anche la ricerca con l'acceleratore di particelle LHC presso il centro di ricerca nucleare del Cern", dice Anastasiou, le cui considerazioni teoriche e i cui modelli matematici hanno contribuito alla comprensione delle proprietà della particella del bosone di Higgs. Nel 2012 la fisica è riuscita a dimostrare sperimentalmente l'esistenza di questa particella utilizzando il Large Hadron Collider.
"Il secolo scorso ha visto il completamento di una teoria della materia atomica e nucleare. Questa teoria ha avuto un notevole successo".David Gross
David Gross arriva all'ETH di Zurigo: come relatore alle Paul Bernays Lectures, spiegherà in modo comprensibile come si è sviluppata la fisica delle particelle negli ultimi cento anni, dalla fisica nucleare alla teoria delle stringhe e oltre. "Sulla base della meccanica quantistica e della teoria relativistica dei campi, il secolo scorso ha visto il completamento di una teoria della materia atomica e nucleare", dice David Gross, "questa teoria ha avuto un notevole successo. Forse la cosa più sorprendente è che i principi di base formulati quasi cento anni fa sono rimasti così solidi e potenti".
Fisica dal sapore filosofico
Le Paul Bernays Lectures sono una serie di conferenze onorarie organizzate dai tre Dipartimenti di scienze umane, sociali e politiche, matematica e fisica dell'ETH. Sono dedicate alla filosofia della logica, della matematica e della fisica. Sono invitati scienziati la cui ricerca riflette e sviluppa i fondamenti, i metodi e i concetti delle scienze esatte.
"David Gross è un'eccellente incarnazione di questa combinazione di ricerca fondamentale in fisica e rilevanza per la filosofia della scienza. Dopo tutto, ha introdotto teorie e concetti nella fisica delle particelle che hanno avuto un'influenza decisiva sulla nostra attuale comprensione della realtà materiale", afferma Norman Sieroka. Il filosofo dell'ETH è consulente delle Paul Bernays Lectures e autore di una "Filosofia della fisica".
Infatti, la scoperta della libertà asintotica e il lavoro teorico di David Gross fanno luce sulla storia della fisica delle particelle e su come questa si sia sviluppata e affermata dopo la Seconda guerra mondiale a partire dalla precedente fisica nucleare: dal 1911 la fisica sapeva che i nuclei atomici sono composti da protoni e neutroni e sono circondati da un guscio atomico di elettroni che si muovono liberamente.
La traccia della "carica di colore"
Negli anni Sessanta si sono accumulati risultati sperimentali sorprendenti che all'epoca non potevano essere spiegati teoricamente, come ha spiegato David Gross nel suo discorso per il Premio Nobel del 2005. Gross, i suoi colleghi e altri fisici trovarono la spiegazione al livello successivo, nell'atomo: è qui che agiscono le forze nucleari che permettono ai nuclei atomici di formarsi e che, in ultima analisi, rendono possibile alla materia in natura di esistere in modo permanente e non decadere immediatamente.
A questo livello inferiore, i protoni e i neutroni sono a loro volta costituiti da particelle - quark e gluoni. L'interazione forte "blocca" i quark all'interno dei protoni e li mantiene così vicini che i protoni possono rimanere stabili. Il motivo è una proprietà dei quark e dei gluoni che la fisica chiama "carica di colore". La teoria che descrive l'interazione forte tra le particelle con carica di colore si chiama "cromodinamica quantistica" o, in breve, QCD. ? una delle teorie di campo quantistiche e fa parte del modello standard della fisica delle particelle.
Le corde e la grande standardizzazione
Il modello standard descrive le particelle e le interazioni. Tuttavia, è incompleto: non include la gravità. Ci si chiede se e come si possa formulare una teoria unificata.
Anche per Gross: "Le domande più difficili e allo stesso tempo più affascinanti che ci troviamo ad affrontare oggi nella fisica fondamentale sono: Come possiamo unificare tutte le forze della natura, compresa la gravità? Il nostro concetto più fondamentale di realtà fisica, quello di spaziotempo, cambierà e come? Possiamo capire come è iniziato l'universo e come finirà?".
"La teoria delle stringhe è attualmente considerata il candidato più promettente per una teoria che possa unificare tutte e quattro le forze fondamentali", afferma Anastasiou. Anche Gross si è distinto in questo campo. Le prime teorie delle stringhe sono state sviluppate negli anni '60 per descrivere l'interazione forte. Non ebbero successo. Negli anni '80, tuttavia, Gross è riuscito a dimostrare per la prima volta che la teoria delle stringhe può descrivere in linea di principio tutte le particelle elementari conosciute.
"Gross ha quindi contribuito in modo significativo al boom della teoria delle stringhe e a farla prendere sul serio dal punto di vista scientifico", afferma Anastasiou, che, come Sieroka, è curioso di vedere come Gross vede l'ulteriore sviluppo della fisica delle particelle.
Paul Bernays Lectures 2017
Un secolo di fisica quantistica - dalla fisica nucleare alla teoria delle stringhe e oltre
Paul Bernays Lectures 2017 del Prof David Gross, Premio Nobel per la Fisica 2004, Università della California, Santa Barbara (USA).
Tutte le conferenze si svolgono presso l'ETH di Zurigo nell'Auditorium F 3 dell'edificio principale, R?mistr. 101, 8006 Zurigo:
1a lezione (generalmente comprensibile):
Un secolo di fisica nucleare
Martedì 12 settembre 2017, ore 17.00
2a lezione (conoscenze di base):
Teoria quantistica dei campi: passato, presente, futuro
Mercoledì 13 settembre 2017, ore 14.15
3a conferenza (conoscenze specialistiche):
Gravità di Gauge o dualità stringa aperta/chiusa
Mercoledì 13 settembre 2017, ore 16.30
Tutte le lezioni saranno tenute in inglese e sono autoconclusive.
Ulteriori informazioni sono disponibili su: www.ethz.ch/bernays
Riferimenti
Gross DJ. La scoperta della libertà asintotica e la nascita della QCD. PNAS, 2005, 102: 9099-9108, doi: pagina esterna10.1073/pnas.0503831102.
Anastasiou C, Duhr C, Dulat F, Furlan E, Gehrmann T, Herzog F, Lazopoulos A, Mistlberger B: High precision determination of the gluon fusion Higgs boson cross-section at the LHC. Journal of High Energy Physics, 2016, 5: 1-101, doi: pagina esterna10.1007/JHEP05(2016)058
Sieroka N. Filosofia della fisica. Un'introduzione. C.H. Beck, 2014.