È un viaggio che condurrà l’uomo e la ricerca scientifica a capire l’origine del cosmo e cosa avvenne negli istanti successivi al Big Bang - dopo il quale si produsse l’universo così come noi lo conosciamo - quello intrapreso nell’acceleratore di particelle elementari più potente che sia mai stato costruito, il Large Hadron Collider (Lhc) del Cern di Ginevra. A guidare circa tremila scienziati di tutto il mondo nell’esperimento più importante, denominato Atlas, è Fabiola Gianotti, fisica e ricercatrice milanese.Il progetto dovrebbe permettere di spiegare misteri tuttora non risolti, quali la composizione della materia oscura dell’universo, l’esistenza o meno del famoso bosone di Higgs (anche detta "particella di Dio", perché portatrice di forza del campo di Higgs, che si ritiene permei l’universo e dia massa a tutte le altre particelle oggi conosciute), la struttura dell’universo primordiale un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang, la possibile esistenza di nuove forze e nuove (microscopiche) dimensioni spaziali.Il rivelatore Atlas è installato in un’enorme caverna sotterranea presso il laboratorio del Cern di Ginevra. È lungo 45 metri, alto quanto un edificio di cinque piani e pesa un po’ meno della torre Eiffel. È costituito di componenti di altissima tecnologia, realizzati da circa tremila scienziati di tutto il mondo. Circa duecento fisici italiani vi sono attualmente impegnati.
L’esperimento del Cern può essere l’inizio di nuove e sorprendenti scoperte scientifiche. Quali sono le sfide più importanti oggetto del Large Hadron Collider?«L’Lhc ci permetterà di esplorare un nuovo regime di energia, e quindi di affrontare questioni ancora aperte e misteri non risolti sulle particelle elementari e le loro interazioni. Studi e scoperte in questo campo ci daranno indicazioni molto importanti anche sulla struttura ed evoluzione dell’universo. Da sempre lo studio dell’"infinitamente piccolo" (le particelle elementari) ci ha permesso di migliorare la nostra conoscenza dell’"infinitamente grande" (l’universo)».
La scoperta del bosone di Higgs sarebbe la conferma inequivocabile della teoria del Modello Standard della fisica delle particelle elementari. Cosa significherebbe per il cammino di comprensione del mondo fisico?«La scoperta del bosone di Higgs o, se il bosone di Higgs non esiste, di un altro meccanismo che svolge la sua funzione, avrebbe un’importanza fondamentale in quanto ci permetterebbe di capire l’origine delle masse delle particelle elementari. Questa domanda, che può apparire astratta e di scarso interesse per la vita di tutti i giorni, è in effetti alla base della fisica fondamentale. Se l’elettrone non avesse la massa che ha, gli atomi non avrebbero le dimensioni che hanno, e quindi le dimensioni delle cose sarebbero diverse. Se i costituenti elementari dei protoni e neutroni (i cosiddetti "quark") non avessero le masse che hanno, il protone potrebbe decadere e gli elementi che conosciamo non esisterebbero. Quindi noi siamo quello che siamo perché le particelle elementari hanno esattamente le masse che hanno. Il problema è che nel Modello Standard, senza bosone di Higgs i conti non tornano, perché le particelle elementari hanno massa nulla. È solo grazie all’interazione con il cosiddetto "campo di Higgs" che possono acquistare massa. Quindi il bosone di Higgs è la chiave del mistero».
Il Modello Standard non è dunque in grado di spiegare perché l’universo è fatto di materia e non di antimateria e che cos’è la materia oscura. A che punto siamo con la ricerca in questo campo?«Nonostante si siano fatti grandi progressi in questo campo recentemente, i misteri dell’asimmetria fra materia e antimateria e della materia oscura rimangono a oggi non risolti. L’Lhc dovrebbe dare contributi significativi alla comprensione di tali questioni, e forse addirittura rispondere in modo completo e soddisfacente a queste domande. Ad esempio, se le cosiddette "teorie supersimmetriche" sono vere, dovremmo essere in grado di produrre e osservare all’Lhc la particella che costituisce la materia oscura dell’universo».
E cioè? Che cosa si intende per "materia oscura" o invisibile dell’universo?«Oggi sappiamo con certezza che solo il 5% dell’universo è costituito della materia che conosciamo, cioè gli atomi degli elementi di cui noi stessi siamo fatti (idrogeno, carbonio, ferro, ecc.). Il resto è fatto di forme non note di energia e di materia, chiamate "energia oscura" e "materia oscura". La materia oscura costituisce circa il 25% dell’universo. È così chiamata perché non è visibile con i nostri strumenti, e quindi deve essere composta di una nuova forma di materia. Sappiamo che esiste da varie osservazioni, e da misure effettuate da missioni spaziali (ad esempio della Nasa), che negli ultimi anni hanno raggiunto grandi precisioni. Ad esempio, il moto delle galassie (in particolare le galassie a spirale), che è governato dalle leggi gravitazionali, non può essere spiegato solo con quel 5% di materia che vediamo a conosciamo. Sulla base di queste e altre misure, e di teorie cosmologiche, oggi sappiamo che nessuna delle particelle del Modello Standard ha le caratteristiche giuste per essere la particella che costituisce la materia oscura. Quindi deve esistere una particella nuova, non osservata finora, e devono esistere teorie più complesse e complete del Modello Standard. Una di queste teorie è la Supersimmetria, che prevede l’esistenza di una particella, chiamata "neutralino", che ha tutte le caratteristiche richieste per essere il costituente della materia oscura. Un aspetto affascinante è che il neutralino dovrebbe essere abbastanza leggero per essere prodotto nelle collisioni fra i fasci di protoni dell’Lhc. Di qui le grandi attese ed emozioni per quello che l’Lhc potrebbe scoprire nei prossimi anni, o forse anche mesi».
Ma se l’esperimento dell’Lhc confermasse, attraverso la scoperta di nuove particelle o nuovi fenomeni fisici, l’ipotesi della Supersimmetria, quali scenari si aprirebbero?«La scoperta che il mondo è "supersimmetrico" sarebbe un trionfo per la ricerca fondamentale. La Supersimmetria è una teoria che prevede l’esistenza di un mondo speculare, dove ciascuna particella elementare ha un cosiddetto "partner supersimmetrico". Le particelle supersimmetriche non sono ancora state osservate sperimentalmente, il che significa o che non esistono, oppure che sono troppo pesanti per essere prodotte agli acceleratori che hanno operato finora. Tuttavia l’Lhc dovrebbe avere energia sufficiente per produrle. Si tratta di una teoria più completa del Modello Standard, che permetterebbe di realizzare l’unificazione delle forze e spiegare la composizione della materia oscura. E sarebbe davvero una grande emozione produrre in un tunnel sotterraneo nella campagna fra la Svizzera e la Francia la particella che spiega il 25% della composizione dell’universo».
La gravità rimane inafferrabile e non riconducibile all’interno di un modello unificante delle forze dell’universo. Quali sorprese può riservarci questo mistero?«C’è molto da fare ancora per capire il mistero della gravità e come sia possibile riconciliarla con le altre forze fondamentali. La Teoria delle stringhe ci ha provato. Ma è una teoria difficile da verificare sperimentalmente, perché le sue previsioni si manifestano a energie non raggiungibili dagli acceleratori attuali. Tuttavia la Supersimmetria, e l’esistenza di dimensioni spaziali (microscopiche) addizionali (oltre alle tre che conosciamo), sono ingredienti fondamentali della Teoria delle stringhe. Quindi la scoperta di questi fenomeni (Supersimmetria e dimensioni supplementari) all’Lhc darebbero indicazioni importanti sulla validità della Teoria delle stringhe».
Nuove scoperte e importanti conferme sperimentali mettono continuamente in discussione l’attuale comprensione scientifica del mondo e dei fenomeni fisici che lo determinano. Sarà veramente possibile una teoria del tutto, capace di spiegare in un modello unico e definitivo le forze fondamentali dell’universo?«L’idea di una teoria del tutto è molto affascinante, e se dovessi scommettere sulla sua esistenza non esiterei a farlo a favore. Essa nasce dal desiderio dell’uomo di spiegare l’apparente diversità delle cose in modo coerente e con (poche) leggi di base unificanti. Nasce dalla semplicità, eleganza e razionalità della natura. Nasce dal fatto che l’origine delle forze fondamentali (eccetto forse la gravità) può essere dedotta da alcuni principi comuni relativamente semplici verificati sperimentalmente. Nasce da alcune osservazioni sperimentali, ad esempio le forti indicazioni che le forze fondamentali si "unificano" (cioè tendono ad avere simile intensità) ad alte energie, e la scoperta che i neutrini hanno massa. Tuttavia riuscire a sviluppare questa teoria, e raccogliere evidenze sperimentali, è una sfida difficilissima, e la più elevata delle nostre ambizioni».
