La ricercatrice dell’istituto di Fisica Nucleare, dott.sa Cătălina Oana Curceanu è un fisico rumeno e ricercatore capo presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Frascati, si occupa di  ricerche sulla cromodinamica quantistica a bassa energia.

Con lei dottoressa abbiamo già parlato della teoria della relatività, della meccanica quantistica, insomma di alcuni argomenti che sono i pilastri della fisica, e oggi vorremmo approfondire invece il discorso su quei “mattoncini”, su quelle particelle, su quei legami tra micro e macro,  prima però so che lei voleva accennarci qualcos’altro, giusto?

In questo incontro parleremo della fisica moderna, stiamo arrivando a quello che è definito il modello standard, che dà la risposta, almeno  ad oggi, su come è fatto il mondo e cosa lo tiene insieme. Questo modello si è ottenuto con tanta fatica, ma anche tanta gioia, attraverso ogni tipo di esperimento, portato avanti dai ricercatori, ingegneri, fisici, ma anche grazie ai tecnici, che dedicano la loro vita in maniera appassionata, come noi, a questo lavoro. Uno dei miei colleghi è recentemente scomparso, un bravissimo tecnico dei laboratori di Frascati, Massimo Albicocco, ed è a lui che, con tanto affetto, voglio dedicare questa trasmissione.  Tornando quindi alla fisica, l’ultima volta che ci siamo incontrati stavamo parlando degli anni ’30 del secolo scorso, un periodo che, per quanto concerne la relatività e la meccanica quantistica che avevano già fatto la sua apparizione nel mondo, era ricco di spunti e personalità di spicco. Si conoscevano già i “mattoncini” fondamentali dell’atomo, in particolare l’elettrone, il protone e, proprio agli inizi degli anni ’30, il neutrone. Era un momento in cui si pensava di essere arrivati ad una conoscenza del mondo che ci circondava, avendo definito la composizione dell’atomo, di cui siamo fatti; dividendolo, appunto, in  neutrone, protone ed elettrone  e pensando a questa come ad una descrizione alquanto completa, nonostante alcune cose non tornassero.  Proprio fra gli anni ’30 e ’40 ci si comincia ad interrogare sul cosmo, attraverso lo studio dei raggi cosmici, e si cominciano a costruire i primi acceleratori di particelle, ed è grazie a questi che, con grande stupore, ci si è trovati davanti ad “un’esplosione” di particelle, un cosiddetto zoo, dove il mondo che conoscevamo si arricchiva ancora ogni qualvolta riuscivamo a guardarlo meglio.

Queste particelle sono particelle reali? Per capirci, le troviamo nel mondo tangibile?

Ovviamente sì, se le misuriamo, anche se non sono particelle stabili, nel senso che non rimangono a lungo, alla pari del neutrone o del protone.

Quindi attraverso l’acceleratore si otteneva questo zoo di particelle, ma non era possibile isolarle, vero?

No, in realtà era possibile misurarle e quindi isolarle, ma queste avevano una vita molto breve, un decadimento molto rapido, che andava da un milionesimo di secondo al miliardesimo del miliardesimo di secondo. Questo faceva sì, stiamo parlando della fine degli  anni ‘60, che noi, non solo conoscessimo l’esplosione delle particelle, ma cominciassimo  anche a conoscere delle forze che agivano in natura. Dai tempi di Einstein, quindi dagli anni ‘30 ai ‘50 quando lui era a Princeton, erano conosciute soprattutto le due forze che si manifestavano, si manifestano tuttora, in maniera più clamorosa, la gravità  e la forza elettromagnetica, i cui studi hanno portato alla crisi che ha favorito la nascita della meccanica quantistica, alla relatività.

Però le forze fondamentali sono quattro?

Ad oggi siamo a conoscenza di quattro forze fondamentali, nonché di una sorpresa, tutto il fiorire di queste particelle, che hanno dei nomi molto standardizzati, Λ, Σ , K, ha portato negli anni ’70 ad ipotizzare che tante di queste particelle fossero composte di entità più piccole, che non sono particelle fondamentali, ma hanno una struttura, arrivando così a definire il quark.

Quindi cos’è esattamente un quark?

Il quark è uno di quei “mattoncini”che compone le particelle più grandi. Per esempio, il protone e il neutrone non sono più considerati come particelle elementari, ma come particelle molto complesse composte da tre quark, come pure molte altre particelle che vengono chiamate bosoni.

Quindi i protoni, gli elettroni e i neutroni sono composti da particelle più piccole chiamate quark. Questi nel caso del neutrone, ad esempio, sono tre, ma sono uguali tra di loro o diversi?

Sono diversi fra loro.

Quindi le avete chiamate quark, ma in modo generico, non perché sono uguali?

Si , è come il discorso dei neutroni e protoni che si chiamano nucleoni, è un modo generico per chiamare la classe di quello che compone il nucleo, allo stesso modo i quark indicano il nome di questi “mattoncini” che compongono queste particelle. Inoltre questo nome nasconde un’altra caratteristica di questi, il fatto cioè che questi tipi di particelle sono sottoposti ad un’interazione forte, quella che alla fine li collega e li unisce.

Questa interazione forte è la forza che li tiene uniti?

Si, è quella forza che li tiene uniti nell’ambito del nucleone e che viene detta forza forte. Ma ritornando alla nostra classifica, ad oggi abbiamo classificato queste particelle e le abbiamo capite, inserendole in quel modello che noi abbiamo definito standard perché ben accettato da tutti. Questo modello vede messe insieme tre di quelle quattro forze a cui abbiamo accennato e riduce il numero di mattoncini ad un numero limitato, in particolare sei tipi di quark e sei tipi di altre particelle che chiamiamo leptoni, che non subiscono l’interazione forte, ma quella debole, anche se c’è un’altra interazione, quella elettromagnetica, che li vede coinvolti un po’ tutti. I  rappresentanti più significativi dei leptoni sono gli elettroni dell’atomo e i neutrini, che all’inizio si pensava fossero privi di massa, alla stregua dei fotoni, ma si è notato che questi subivano altri tipi di interazione, principalmente quella debole.

Quando lei parla di interazione debole o forte, si riferisce alle forze nucleari o è un discorso collegato alle particelle all’interno del nucleo?

Diciamo che noi troviamo tutte queste forze all’interno dell’atomo, nel senso che nel nucleo i quark dei protoni sono tenuti insieme attraverso la forza forte, che alla pari di quella elettromagnetica, ha un messaggero.

Quindi la forza forte è nucleare?

Sì, è la forza nucleare forte, perché a volte la forza debole viene definita forza nucleare debole. La nostra visione di ogni tipo di forza è che due particelle  interagiscono attraverso uno scambio di un messaggero, di questi il più conosciuto è il fotone, l’intermediario della forza elettromagnetica.  Il messaggero nell’ambito della forza nucleare forte, quella che avviene tra i quark, è il gluone, mentre quello della forza debole è un messaggero molto particolare, perchè a differenza  del fotone e del gluone, è pesante, nel senso che la sua massa pesa cento volte di più del protone.

In pratica lei ci sta dicendo che quando c’è un’interazione di tipo elettromagnetico il messaggero  è il fotone, giusto?

Sì, diciamo che il messaggero fondamentale, in questo caso, è il fotone, mentre nell’ambito dell’interazione nucleare forte, quella fra i quark, questi si scambiano il gluone, che è molto diverso dal fotone, poiché ha una carica di colore. Viene così definita la carica elettrica in seno alla forza nucleare forte, che fa si che interagiscano i gluoni stessi tra loro. Tornando ai fotoni questi invece non ha una carica elettrica che gli permetta di interagire.

Quindi questi fotoni partono dalla prima carica vanno verso la seconda e le dicono dove deve spostarsi e così giusto?

Sì, diciamo di sì, questa è la descrizione che abbiamo oggi in termini di particelle e di questi messaggeri che portano l’interazione nell’ambito del modello standard.

Mentre per quanto riguarda i quark, questi non solo vanno da un quark all’altro, ma comunicano anche tra di loro, vero?.

Esattamente, ragion per cui potrebbero esistere delle palle, per esempio, solo di gluoni, mentre non potrebbero esistere delle palle di fotoni.

Ma i gluoni hanno una massa?

No, ma hanno la carica di colore che porta la forza forte. Parlando invece della forza debole, questa ha dei messaggeri molto pesanti, come accennavo prima, che si chiamano   W + W- e Z0, che fra l’altro,prima solo ipotizzati in teoria, sono stati scoperti grazie agli esperimenti di Carlo Rubia al Cern di Ginevra, esperimenti che gli sono valsi il premio Nobel.

Le interazioni deboli avvengo tra?

Per esempio, fra i quark o possono coinvolgere i neutrini.

Quindi fra i quark può esserci un’interazione forte e una debole?

Sì, a cambiare sono i messaggeri, nel caso di quella debole sappiamo che i messaggeri sono molto pesanti è hanno una massa cento volte più pesante di quella del protone. Per nostra consuetudine la massa descrive anche il raggio dell’interazione, che è inversamente proporzionale alla massa della particella, ne consegue che il fotone, che non ha massa, ha un raggio di azione infinito, per cui due cariche elettriche si sentono ad una distanza anche molto grande, anche la forza gravitazionale ha un raggio di azione infinito. Mentre, ad esempio,  la W, che ha una massa molto estesa, ha un raggio di azione molto, molto piccolo, quindi se ti allontani dalla particella questa forza non si esercita più; questo è uno dei motivi per cui non è stata molto studiata ed è stata scoperta relativamente tardi.

A proposito di forza gravitazionale, invece, questa non si sente nei casi che abbiamo analizzato ?

Dobbiamo ritornare su due argomenti; il primo è quello dell’intensità relativa fra queste forze, la forza forte è quella, lo dice il nome stesso, che ha l’intensità più potente fra le forze esistenti in natura, poi segue la forza elettromagnetica che ha un’intensità relativa,  circa, 100 volte più bassa, mentre la forza debole ha un’intensità relativa di un miliardo e passa di volte inferiore alla prima e poi c’è il caso anomalo dell’interazione gravitazionale, che pur presente nel caso dell’atomo, ha un’intensità relativa che  è miliardi e miliardi di volte più bassa come intensità rispetto all’interazione forte.

Quindi trascurabile?

Ovviamente trascurabile.

Noi però siamo abituati ad un approccio macroscopico, dove la forza di gravità ha il suo “peso”, giusto?

Certo, è l’unica forza presente nell’ambito dell’universo.

Come mai?

Questa domanda è molto bella, infatti una persona dice sempre che ci sono quattro forze, poi se io verifico nel sistema solare, nonché nella galassia, l’unica forza importante è quella gravitazionale, questo perché i corpi macroscopici sono neutri dal punto di vista della carica elettrica e da quella di colore, quindi, solo avvicinandoci dentro gli oggetti scopriamo altre interazioni. A livello ultramacroscopico dell’universo quello che rimane, dunque, è solo la forza gravitazionale, che però nel modello standard non è contenuta; questa ne è fuori soprattutto perché quasi tutti i tentativi fatti, a partire da Einstein, per integrare la gravitazione con le altre forze nello stesso linguaggio che usa la meccanica quantistica è risultato vano, non si è riusciti, quindi,  a descriverla in un linguaggio quantistico.

Quindi, l’interazione che può avvenire a livello microscopico prevede distanze molto limitate giusto?

Sì. Volevo solo aggiungere che il nostro universo non sarebbe quello che è se tutte le particelle non avessero massa; è vero che sembra strano, infatti in un universo perfettamente simmetrico le particelle non dovrebbero avere una massa, o al limite, almeno i portatori, dovrebbero avere tutti la stessa massa, il fatto che non sia così, ad oggi ci sfugge ancora qualcosa, è spiegato con una matematica meravigliosa quella della cosiddetta rottura di simmetria. La rottura delle simmetrie è la parola chiave delle teorie attuali.

Quindi noi siamo un difetto in questo universo?

Non un difetto, noi siamo generati con dei meccanismi che prevedono delle rotture di simmetrie, che apparentemente erano perfette. Ci sono due tipi di rotture, quelle spontanee e quelle non spontanee. Continuando a parlare di quanto il mondo è bello e strano con le sue simmetrie e non, vorrei consigliarvi un libro di Italo Calvino “Le Cosmicomiche” composto da una serie di racconti, in uno di questi, in particolare,l’ intuito sulla rottura di simmetria dell’autore è fantastico, ma non voglio aggiungere di più. Tornando invece ai quark, questi sono come due innamorati, non gli piace stare lontano.

Ma questa è un’interazione forte o debole?

Forte, questa interazione ha un carattere che sia chiama libertà asintotica, se io devo allontanare questi quark devo fare uno sforzo enorme.

Per quanto concerne l’interazione debole cosa avviene?

Nell’interazione debole sussiste un elemento in più, la massa, che fa sì che il raggio di azione sia limitato.

Mi scusi, ma nel caso dell’interazione debole che chiama in causa la massa, visto quello che succede, non è possibile  parlare di quella che voi definite materia oscura?

No, perché questa materia oscura è una massa che io conosco, non so cosa sia, mentre io conosco bene la massa chiamata in causa nell’interazione .

Le particelle di cui lei ci ha parlato, quark,  leptoni, secondo lei sono anche i mattoni di questa materia oscura?

No, direi che siamo ragionevolmente convinti che non sia possibile. Volevo, però, tornare all’interazione debole, che è molto interessante e molto particolare, non solo perché ha un portatore con massa, ma anche perchè questa è fondamentale nelle stelle. I processi che avvengono nelle stelle sono in gran parte processi con interazioni deboli, anche nella vita di tutti i giorni vi è questa interazione, là dove si parla della datazione. Noi tutti conosciamo la datazione con il carbonio 14, bene, lì sfruttiamo un processo di interazione debole; il decadimento del carbonio 14 verso l’azoto,  attraverso l’interazione debole, con una vita media intorno ai 5 mila anni, quindi un nucleo che si trasforma in un altro nucleo emettendo un neutrino ed un elettrone. Da tutta la nostra conoscenza, non solo della fisica, sappiamo che il carbonio 14 entra negli organismi, in particolare delle piante, attraverso processi metabolici, ma solo finché questi sono in vita, quando questi muoiono, infatti, non avviene più il processo metabolico, quindi l’unico carbonio 14 che rimane è quello degli ultimi istanti di vita,  che poi comincia a decadere. Quindi è dalla quantità rimasta che noi ne deduciamo gli anni di vita dell’organismo.

Lei ha parlato di determinate particelle, ma ce ne sono altre di cui si sente spesso parlare, come i positroni, elettro-positroni, in che modo questi si relazionano con il discorso che lei ha fatto?

Io ho parlato del modello standard del mondo delle particelle, ma c’è anche il mondo dell’antimateria, ogni particella ha un suo fratello in questo mondo, che è l’antiparticella della particella stessa.

Diciamo però che questo fratello di antimateria si può “vedere” solo nei laboratori, perché secondo voi l’antimateria non esiste, giusto?

Si, nel senso che si può vedere nei nostri laboratori o dai raggi cosmici. Secondo noi questa, ad oggi, nell’universo è in qualche maniera scomparsa. Infatti noi pensiamo che, all’origine del Big Bang, materia e antimateria fossero nate in quantità uguali, e giustamente ora ci stupiamo e ci chiediamo dove sia questa antimateria.

Un’ultima domanda, che cos’è il bosone di Higgs?

E’ la cosiddetta particella di Dio, che deve questo nome al fatto di essere universale, il bosone di Higgs sarebbe quella particella che darebbe la massa a tutte le altre. In un mondo ideale le particelle non dovrebbe avere massa, questa viene data loro attraverso l’interazione con questo campo di Higgs, una sorta di miele, passatemi il paragone, sparso su un tavolo che impregna le particelle delle sagome e fa sì che queste acquisiscano la massa. Ogni tanto questo miele si raggruma su se stesso e dà vita al bosono di Higgs, a cui si sta dando la caccia il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra. La sua esistenza è fondamentale nel modello standard, se noi fossimo sicuri che questo non esiste,verrebbe messo in crisi tutto il sistema.

Siamo arrivati a conclusione, ma prima di terminare quali libri ci consiglia questa settimana?

Parto dai due premi nobel, proprio nell’ambito del modello standard ,che hanno scritto dei libri molto interessanti; il primo è quello del fisico olandese Gerardus T. Hooft, “Alla ricerca delle particelle fondamentali” che per altro ha una bellissima prefazione di Carlo Bernardini, il secondo, sempre di un fisico olandese, anche lui premio nobel, Martinus Veltman, scritto in inglese, è  “  Facts and Mysteries in elementary particle physics” ; due libri che manifestano la differenza di carattere tra uno scrittore e l’altro,  nonostante questi  abbiano preso il nobel insieme. Invece un libro che non c’entra nulla con il modello standard, ma che vi consiglio ugualemnte perchè racconta le bizzarrie del mondo è “Un universo diverso” di Laughlin Robert.