Cosa ci hanno lasciato Peter Higgs e il suo bosone?

Circa trent’anni fa, nel 1993, ero stato appena assunto dal CERN, il centro europeo per la fisica delle particelle elementari. Questo mi dava il diritto di passare le giornate nel laboratorio, e di trovarmi alle cinque del pomeriggio con amici e rivali al baretto interno, la “cantina”, a parlare di fisica bevendo birra e mangiando patate fritte. Il massimo della felicità per un fisico. Quasi tutti stavamo cercando la stessa cosa: una particella chiamata bosone di Higgs. Sapevamo più o meno dov’era e quanto “pesava”, ma la preda era elusiva. In più non sapevamo se l’acceleratore che usavamo, il LEP, era abbastanza potente da consentirci di trovarla. E difatti non lo era.

I capi supremi del CERN – che i ricercatori vedono come meri burocrati, o politici – sospettavano non lo avremmo trovato, e stavano cercando denaro, molto denaro, per costruire una nuova macchina acceleratrice più potente di quella a nostra disposizione. Questa macchina sarebbe stata il Large Hadron Collider (LHC). Grandi paesi come la Germania, la Francia e l’Italia furono subito entusiasti di finanziare il progetto, ma la Gran Bretagna, come spesso accade, era più riluttante. Voleva prima capire a cosa servisse questo bosone di Higgs, e se valesse la pena di costruire uno strumento che sarebbe costato una decina di miliardi di sterline.

Il ministro della ricerca britannico di allora, William Waldegrave, promise una bottiglia di champagne della migliore qualità a chi avesse spiegato che cos’era il bosone di Higgs con un testo che non eccedesse la misura di un foglio A4. Anche se i fisici non amano molto darsi da fare per procacciare fondi, perché il disprezzo del denaro fa parte della natura e dell’immagine di un buon fisico, amano molto la competizione, e così la sfida divenne uno degli argomenti di discussione più incandescenti ai tavoli della cantina, che si riempivano di bicchieri vuoti e di posacenere pieni (trent’anni fa si usava così). Nel frattempo i grandi capi del CERN avevano raddoppiato il premio: una bottiglia di champagne d’annata costa comunque lo 0,000001 per cento di LHC, una percentuale trascurabile. 

Ma che cos’è questo bosone di Higgs, perché lo stavamo cercando? E chi era questo signor Higgs, che ci ha lasciati da poco, all’età di 94 anni?

Peter Higgs nacque a Newcastle nel 1929. Da bambino soffriva di asma e per questo fu istruito a casa. A 17 anni andò a Londra per studiare matematica e fisica; successivamente si trasferì all’Università di Edimburgo, dove fece carriera, diventò professore e rimase fino alla pensione. Una carriera normale, neanche particolarmente brillante, se non fosse stato per un’idea. Un’ottima idea.

Nel 1964 Higgs scrisse due articoli in cui presentò quello che in seguito sarebbe stato conosciuto come il meccanismo di Higgs, grazie al quale un campo (ossia una distribuzione di energia nello spazio e nel tempo definita in ogni punto) conferisce massa (quantità di materia; impropriamente potremmo dire “peso”) alle particelle. È un ingrediente fondamentale della teoria dell’universo, il cosiddetto modello standard della fisica delle particelle, per il quale Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg hanno vinto il premio Nobel nel 1979. 

La stesura degli articoli richiese solo tre settimane di lavoro, poiché la tecnica matematica usata era già nota in altri campi della fisica. “Il lavoro è stato piuttosto limitato” disse Higgs, “e sono sconcertato dalle conseguenze”. Poco dopo si seppe che altri cinque scienziati erano giunti a conclusioni simili quasi contemporaneamente.

Non è facile spiegare che cos’è il meccanismo di Higgs e che cos’è il bosone di Higgs. Ci metto due ore per insegnarlo agli studenti del quarto anno di fisica, che dispongono di una matematica avanzata. Voglio però raccontare un ingrediente affascinante della teoria. Ai fisici piacerebbe che le masse delle particelle fossero nulle, o che ci fosse una semplice equazione per calcolarle; ai fisici piacerebbe che l’universo fosse semplice come i suoi costituenti fondamentali, perché ai fisici piacciono le cose semplici. Ma nella natura ogni tanto, come diceva Lucrezio, c’è un “parvum clinamen” che fa passare dalla simmetria e dalla semplicità dei principi primi alla realtà imperfetta che conosciamo. Come può un universo che dovrebbe essere simmetrico e perfetto come le parti che lo compongono diventare asimmetrico?

La geometria che sto per descrivere è davvero implementata nella teoria di Higgs. Il cosiddetto “sombrero” (o “fondo di bottiglia” a seconda del retroterra culturale di chi scrive) è una figura simmetrica rispetto alla rotazione.  È composta da una collina al centro, circondata da una valle circolare che ne costituisce la base. La simmetria rotazionale è perfetta: immaginiamo la natura come fosse una pallina appoggiata sulla cima della collina che vede lo stesso paesaggio in tutte le direzioni. La natura, e quindi la pallina, cerca di portare l’energia potenziale al suo minimo: l’acqua, come sappiamo, scorre in discesa. La più piccola perturbazione fa scivolare la pallina, che riduce la sua energia potenziale gravitazionale rotolando verso il basso. Una volta arrivata sul fondovalle, la sua energia potenziale è al minimo: diciamo che ha raggiunto lo stato fondamentale.

Tuttavia, esiste un numero infinito di possibili stati fondamentali, corrispondenti ai diversi punti della valle, e prima che la pallina tocchi terra noi non sapremo dove andrà a finire. Quello che sappiamo è che ovunque si fermi, la pallina-natura sarà profondamente diversa da ciò che era sulla cima della collina; le condizioni del problema sono simmetriche, ma la realizzazione della realtà non lo è. Questa descrizione della rottura spontanea della simmetria è il massimo che riesco a dire senza matematica, e spero trasmetta almeno il sapore dell’invenzione di Higgs, la cui particella dava ragione di questo strano fenomeno.

Man mano che gli esperimenti al CERN e al suo analogo americano, il FermiLab, raccoglievano dati, aumentavano le indicazioni che il meccanismo di Higgs non fosse solo un artificio matematico: il bosone doveva esistere e pesare quanto un centinaio di atomi di idrogeno, un migliaio al massimo. Era sulla linea di mira. La caccia al bosone di Higgs era aperta, e affascinò gli specialisti e anche i non specialisti, che leggevano sui giornali il racconto dell’avventura, e venivano contagiati dall’entusiasmo dei ricercatori. Ho assistito a molte false scoperte causate dalla speranza, e sono stato personalmente vittima dell’ottimismo.

Finalmente nel 2012, quasi cinquant’anni dopo la previsione e grazie all’acceleratore LHC che nel frattempo era stato costruito e aveva sostituito il vecchio LEP, i fisici del CERN trovarono un segnale interessante che probabilmente corrispondeva al bosone di Higgs. L’ordine dei grandi capi era di aspettare e fare maggiori verifiche prima di rendere nota la cosa, ma i fisici non sono bravi a tenere i segreti. La voce si sparse e la notizia finì su qualche giornale e qualche blog. 

Dopo alcuni mesi, i capi decisero che si poteva dare ufficialmente l’annuncio della scoperta. Higgs lo seppe attraverso una telefonata ricevuta mentre stava a Erice, dove si stava godendo un pranzetto dopo aver fatto lezione alla scuola Majorana. La telefonata fu fatta a un suo assistente, perché Higgs non aveva mai avuto un cellulare.

La conferenza stampa fu tenuta il 4 luglio, una data iconica. L’evento venne teletrasmesso in tutto il mondo. Peter Higgs era in prima fila e piangeva. Colleghi e profani lo guardavano in faccia, una bella faccia. Lui, che era l’ospite d’onore dell’evento, si rifiutò di rispondere alle domande dei giornalisti. 

Nessuno aveva dubbi su chi avrebbe vinto il premio Nobel l’anno successivo, e infatti Higgs lo vinse. In seguito avrebbe detto che la scoperta gli aveva “rovinato la vita”. “Non mi piace questo tipo di pubblicità. Il mio stile consiste nel lavorare in isolamento e di tanto in tanto avere un’idea brillante.”

Personalmente, come molti, non dubitavo che il bosone di Higgs sarebbe stato trovato lì dove doveva essere – anche se una minoranza dei fisici, tra cui Hawking, scommetteva che non esistesse. Ma non possiamo non restare stupiti dal potere misterioso della matematica: la capacità di equazioni scritte su pezzi di carta di prevedere aspetti della natura prima sconosciuti, e di essere, come diceva il grande fisico Paul Dirac, più intelligenti dei loro creatori. 

Il bellissimo libro di Frank Close, un fisico di prima classe, è significativamente intitolato Elusive. Usando le parole dell’autore è “non tanto una biografia [di Higgs] quanto del bosone che porta il suo nome”. Senza il bosone di Higgs non ci sarebbero atomi, né pianeti, né stelle, né persone. Eppure, dopo i gloriosi articoli degli anni ’60, Higgs non lavorò più alla sua teoria. “Sono diventato uno spettatore”, racconta a Close. La sua attenzione si spostò sulla politica universitaria e sul disarmo nucleare. 

A questo punto vi chiederete chi abbia vinto le due bottiglie di champagne di cui si parlava. Una giuria del CERN ha premiato la “spiegazione” data da David Miller, un collega dell’University College di Londra. Eccola: immaginate una festa di politici in cui ognuno parla con i suoi vicini. Margareth Thatcher entra e attraversa la stanza. Tutti sono fortemente attratti da lei e le si stringono attorno per parlarle.

Mentre si muove, l’ex prima ministra attira le persone vicine, mentre quelle che hanno smesso di parlarle ritornano alla loro posizione iniziale. A causa del gruppo di persone attorno a lei Thatcher acquista una massa maggiore: è più difficile da fermare, e una volta fermata è più difficile per lei rimettersi in movimento.

Questa, secondo Miller, è l’idea del meccanismo di Higgs. Per dare massa alle particelle, si ipotizza  un campo che viene distorto localmente ogni volta che una particella si muove attraverso di esso. La distorsione – l’aggregazione del campo attorno alla particella – genera la massa della particella stessa. Devo dire che la spiegazione non mi entusiasma, ma evidentemente le altre proposte erano peggiori. 

La scoperta del bosone di Higgs, che si riteneva l’ultimo tassello del puzzle della fisica, fu la gloriosa conferma del modello standard. Lasciatisi alle spalle questa scoperta gli scienziati sono entrati in un mare per il quale non dispongono di una mappa. Sanno che il modello standard non può essere la teoria definitiva della natura (non spiega, ad esempio, l’invisibile “materia oscura” che si ritiene domini l’universo), e stavolta si naviga a vista in un oceano aperto e sconosciuto. La prossima isola potrebbe essere così lontana che non la scopriremo mai. Fa un po’ paura, in particolare ai finanziatori che vorrebbero sapere per che cosa stanno spendendo i soldi, ma questa incertezza è il prezzo che si paga quando ci si avventura alla ricerca delle origini dell’universo; e ne vale la pena.