bosone di Higgs

C'era una cosa che volevo ancora scrivere sulla conferenza di Aspen, ché i miei racconti si sono fermati al penultimo giorno, e ci sarebbe stata ancora la giornata di venerdì da raccontare. Poi la vita si è messa in mezzo, proprio quando uno pensava di essere immune alle sue batoste, e la voglia si scrivere è andata a nescondersi in fondo al cassetto più in basso della scrivania. Ma insomma, anche a distanza di un paio di mesi, quelle cose restano probabilmente interessanti, e sono una buona scusa per provare a rimettere in moto le dita sulla tastiera, anche contro ogni mancanza di motivazione.

La sessione conclusiva di Higgs Quo Vadis prevedeva le presentazioni di tre fisici teorici piuttosto famosi, quelli che senza dubbio chiamerei i vip invitati alla conferenza: Lisa Randall, Nima Arkani-Hamed e Nati Seiberg. Tutti e tre dovevano provare a tirare qualche conclusioni dalla recente scoperta di quella particella che tanto assomiglia al bosone di Higgs, e a tracciare le possibili strade per il futuro della fisica delle particelle. Sorvolo sul fatto che la presentazione di Lisa Randall è stata decisamente deludente (l'ho trovata allo stesso tempo trascurata, poco stimolante e troppo concentrata su se stessa. Ma lasciamo perdere...), e prendo invece spunto dalle interessanti presentazioni di Nima e Nati. In modo non troppo diverso, entrambi hanno affrontato il grosso problema che la scoperta di un bosone di Higgs con massa di circa 125 GeV pone alla nostra compresione del mondo, giungendo tutti e due a conclusioni a mio parere preoccupantemente simili. Per spiegare il senso del ragionamento dei due fisici teorici, e del perché lo trovo preoccupante, è necessario perì prima parlare di un concetto poco noto ma largamente usato in fisica: la naturalezza di una teoria.

Partiamo da un'analogia. Immaginate di conoscere un ricco magnate dell'industria, che gestisce un giro d'affari pluri-miliardario. Si tratta di un persona onesta e aperta, che vi ha lasciato libero accesso ai suoi libri contabili. Sfogliando a caso le pagine dei suoi conti, osservate - senza sorprendervi troppo - che i suoi conti riportano grandissimi movimenti di capitali: certi giorni sono documentate ingenti spese, in altri invece si annotano imponenti guadagni. Quando però andate a guardare il bilancio complessivo alla fine di ogni anno, scoprite che è sempre esattamente... zero euro! Ogni anno, nonostante la taglia mastodontica dei movimenti finanziari in ingresso e uscita, il vostro amico magnate registrare sistematicamente un guadagno netto nullo. La cosa non vi insospettirebbe? Come è possibile che grandissime cifre in ingresso e uscita, distribuite in modo apparentemente casuale nel corso dell'anno, finiscano sempre per compensarsi perfettamente? Non penso avreste alcuna esitazione a definire la cosa come "innaturale": vi sareste piuttosto aspettati un bilancio positivo certi anni, altri invece uno negativo. Di fronte libro contabile così peculiare, iniziereste probabilmente a sospettare un qualche "arrangiamento" dei conti. Forse il vostro amico sta truccando il bilancio per truffare il fisco. O magari la sua società ha un sistema di ammortizzamento di cassa, per cui ogni guadagno positivo viene sistematicamente investisto in un'altra società, ed esiste un conto esterno che interviene a colmare ogni fluttuazione negativa. Qualunque sia la ragione, un tale bilancio "innaturale" vi spinge a sospettare la presenza di un qualche altro meccanismo finianziario (non necessariamente illegale!) non documentato nei libri contabili a cui avete accesso. Interpretereste l'innaturalezza come sintomo della presenza di qualche fenomeno che ancora ignorate, e che magari vale la pena di esplorare.

In fisica, esiste un concetto di naturalezza delle teorie molto simile a quello appena descritto. Quando una teoria contiene delle quantità molto piccole, nonostante molte delle altre quantità in gioco siano spesso ordini di grandezza più grandi, i fisici sospettano la teoria così com'è di essere innaturale. È il caso della massa del bosone di Higgs nell'ambito del Modello Standard. Il bosone di Higgs assume massa esattamente come tutte le altre particelle elementari della teoria, interagendo con il campo di Higgs. Questa interazione, però, non è in teoria l'unica responsabile della sua massa. Essendo una particella soggetta alle leggi della meccanica quantistica, il bosone di Higgs può infatti temporaneamente trasformarsi in una coppia di altre particelle (una particella e la sia antiparticella), che si ricombinano immediatamente dopo nello stesso bosone di Higgs. Queste fluttuazioni influenzano il valore della massa del bosone di Higgs, e i fisici sanno calcolarne l'effetto. Tipicamente, l'impatto di queste fluttuazioni sulla massa del bosone di Higgs si ottiene prendento un valore associato alla probabilità del bosone di Higgs di fluttuare in una coppia di bosoni, e sottraendone il valore associato alla probabilità di fluttuare in una coppia di fermioni. Siccome la massa del bosone di Higgs che abbiamo osservato è relativamente piccola (è poco maggiore di quella dei bosoni W e Z, e inferiore a quella del quark top), la conseguenza è che l'effetto associato alla fluttuazione in coppie di bosoni deve essere molto simile a quello legato alla fluttuazioni in coppie di fermioni. La probabilità che questa cancellazione di effetti avvenga per caso (un po' come nel caso della perfetta compensazione tra entrate e uscite nei libri contabili del vostro amico magnate) è veramente molto bassa, ragione per cui i fisici dicono che, così com'è, il Modello Standard con il suo bosone di Higgs con piccola massa, è "innaturale". Proprio come voi con l'amico magnate, i fisici pensano che debba esistere, nascosto da quale parte, un meccanismo ancora ignoto (forse una frode del fisco, o un conto tampone) che spieghi in modo esplicito perché questa cancellazione di effetti sia così efficace e perfetta, e perché la massa del bosone di Higgs sia così piccola.

Una delle soluzioni più gettonate al problema della naturalezza della massa del bosone di Higgs è la Supersimmetria: se postuliamo l'esistenza di un nuovo fermione per ogni bosone che conosciamo, e di un nuovo bosone per ogni fermione noto, ecco che la cancellazione degli effetti sarebbe perfettamente spiegata. Il problema, ovviamente, è che nessuna delle presunte nuove particelle spersimmetriche è stata ancora osservata. Ma insomma, ci siamo capiti: l'innaturalezza della piccola massa del bosone di Higgs indicherebbe un'incompletezza del Modello Standard, e segnalerebbe la potenziale presenza di nuova fisica dietro l'angolo, a scale di energie non troppo diverse dal valore stesso della massa (ci sono altre soluzioni al problema, considerate forse un po' più eretiche all'interno della comunità, ma che puntano ugualmente a una compresione completa e riduzionista della teoria che usiamo per descrivere le interazioni tra le particelle).

Entrano in scena i teorici come Arkani-Hamed e Seiberg. Negli ultimi anni, questa generazione di pensatori, complice il dominio incontrastato dall teoria delle stringhe nel panorama della fisica teorica moderna, hanno invece proposto un approccio diverso al problema della naturalezza del Modello Standard, approccio a mio parere insoddisfacente e persino rinunciatario. Come forse sapete, le varie versioni della teoria delle stringhe hanno finora fallito il compito di fornire una descrizione univoca della teoria delle interazioni, riproducendo nel loro limite di bassa energia il Modello Standard che tanto bene funziona. Il problema principale dietro a questo fallimento è che la teoria delle stringe sembra avere un numero di soluzioni possibili (e dunque do mondi possibili che potrebbe descrivere) smisuratamente grande. Siccome nessuno è finora riuscito a trovare una soluzione a questo problema di soluzioni multiple, molti fisici teorici, piuttosto che abbandonare le stringhe bollandole come teoria insoddisfacente, hanno preferito ripiegare su una interpretazione antropica della teoria. La presenza di innumerevoli soluzioni non sarebbe un problema della teoria, ma il segno che esisterebbero realmente innumerevoli universi, in ciascuno dei quali sarebbe realizzata una della possibili soluzioni. Ci ritroveremmo dunque a vivere in un multiverso, e solo per caso noi ne abiteremmo quella parte in cui le leggi delle fisica sono quelle che osserviamo, e, tra le altre cose, il bosone di Higgs avrebbe la piccola massa che misuriamo. Altrove, le cose sarebbero diverse, in modo imprevedibile e inconoscibile.

Questi signori stanno dicendo è che il non aver ancora osservato nessun fenomeno fisico al di là del Modello Standard, nonostante la sua apparente innaturalezza, non sarebbe altro che il segno che i parametri della teoria non sono fondamentali, bensì ambientali. È un po' come se vi raccontassi che il vostro amico magnate ha in realtà qualche miliardo di miliardi di colleghi che gestiscono attività finianziarie delle stesso genere: alcuni di questi signori hanno libri contabili con chiusure annuali positive, altri negative, e solo per caso voi vi siete ritrovati a conoscere quello che, sul grande numero, ha proprio un bilancio sempre pari a zero. Non ci sarebbe dunque una ragione specifica da cercare, se non nel fatto di essersi ritrovati a vivere un questo particolare angolo della realtà, dove abita il magnate a somma zero. Una soluzione del genere implica la fine del riduzionismo, inteso in particolare come la possibilità di avanzare nella conoscenza del modo in modo induttivo secondo una comprensione sempre più capace di descrivere un numero maggiore di fenomeno con un un numero inferiore di parametri. In buona sostanza, a mio parere, si tratterebbe una resa alla stessa nostra missione di scienziati. Magari si tratta di un passo necessario, ma mi sembra prematuro.

Quel famoso venerdì sono finito a pranzare con Nima, che, posizioni sul riduzionismo condivisibili o meno, è un fisico e una persona eccezionale. Di fronte al nostro enorme hamburger di Aspen, non è certo riuscito a convincermi che sia già arrivato il momento di mettere nel cassetto le ambizioni di quattro secoli e mezzo di ambizione scientifica. Resto caparbiamente convinto che i nostri amici teorici debbano fare uno sforzo ulteriore, forse provando strade radicalmente diverse da quelle percorse fino ad adesso. Non è la prima volta nella storia che qualcuno si azzarda a dichiarare il cammino della scienza concluso: in tutte queste occasioni, la Natura ha sempre riservato delle belle sorprese a questi profeti di sventura.

(L'analogia dei conti bancari dell'amico magnate miliardario, e l'immagine del bosone di Higgs sulla bilancia, sono presi da questo articolo di Symmetry Magazine)