mercoledì 8 ottobre 2008

Nobel in Fisica 2008: informazioni per il pubblico

Di seguito la traduzione in italiano delle informazioni per il pubblico con il quale l'Accademia delle Scienze di Stoccolma motiva il premio conferito quest'anno a Nambu, Kobayashi e Maskawa.

L'originale si trova quì:
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/info.pdf

Premio Nobel in Fisica 2008


Perchè c'è qualcosa invece di niente? Perchè ci sono così tante differenti particelle elementari? Quest'anno i premi Nobel in Fisica hanno presentato le intuizioni teoriche che ci permettono una profonda comprensione di cosa succede nei più piccoli mattoni costituenti la materia.

Svelare le simmetrie nascoste della natura

Le leggi di simmetria della natura sono al centro di questa materia: anzi piuttosto, le rotture di simmetrie, sia quelle che sembrano essere esistite nel nostro universo fin dall'inizio e quelli che hanno spontaneamente perso la loro originale simmetria per strada.

Infatti siamo tutti figli della rottura di simmetria. Deve essere successo immediatamente dopo il Big Bang, 14 miliardi di anni fa, quando fu creata tanta materia quanta antimateria. L'incontro tra le due è fatale per entrambe; si annichilano una con l'altra e tutto ciò che rimane è radiazione. Evidentemente, la materia vinse comunque contro l'antimateria, altrimenti non saremmo quì. Ma siamo quì, e solo una leggera deviazione dalla perfetta simmetria sembra essere stata sufficente - una particella di materia per ogni 10 miliardi di particelle di antimateria fu abbastanza per per far sopravvivere il nostro mondo. Questo eccesso di materia fu il seme dell'intero nostro universo, che si riempì con galassie, stelle e pianeti - ed infine vita. Ma cosa si nasconde sotto la violazione di simmetria nel cosmo è ancora un grande mistero ed un campo di riceerca attivo.


Una rottura di simmetria non ancora spiegata alla nascita dell'universo. Se nel Big Bang fosse stata creata tanta materia quanto antimateria, si sarebbero annichilate l'un l'altra. Ma un leggero eccesso di 1 particella di materia per ogni 10 miliardi di particelle di antimateria fu sifficiente a far vincere la materia sull'antimateria. Questo eccesso riempì il cosmo con galassie, stelle, pianeti ed infine la vita.

Attraverso lo specchio

Per diversi anni la Fisica si è focalizzata sulla scoperta delle leggi naturali che sono nascosti in profondità nell'ampio spettro di fenomeni che vediamo attorno a noi. Le leggi naturali dovrebbero essere perfettamente simmetriche e assolute; dovrebbero essere valide in tutto l'universo. Questo approccio sembra vero in molte situazioni, ma non sempre. Ecco perché simmetrie rotte diventano oggetto di ricerca esattamente come le stesse simmetrie, che non è così notevole considerando che la perfetta simmetria è un ideale raro se consideriamo il nostro mondo asimmetrico.

Vari tipi di simmetrie e di simmetrie rotte sono parte della nostra vita quotidiana; la lettera A non cambia se la guardiamo allo specchio, mentre la lettera Z rompe la sua simmetria. D'altra parte la lettera Z rimane la stessa se la giri sottosopra, ma se fai lo stesso con la A la simmetria si romperà.

La teoria base per le particelle elementari descrive 3 diversi principi di simmetria: simmetria speculare, di carica e rispetto al tempo (in linguaggio fisico la prima è chiamata P, da Parità, C sta per simmetria di carica, e T per il tempo).

Nella simmetria a specchio tutti gli eventi dovrebbero accadere esattamente nello stesso modo sia che siano visti direttamente che allo specchio. Non dovrebbero esserci differenze tra sinistra e destra e nessuno dovrebbe essere in grado di capire se si trovano nel loro stesso mondo o in un mondo a specchio. La simmetria di carica stabilisce che le particelle si dovrebbero comportare esattamente come i loro alter ego, le antiparticelle, che hanno esattamente le stesse proprietà ma carica opposta. Secondo la simmetria temporale, gli eventi fisici a livello microscopico dovrebbero essere ugualmente indipendenti dal fatto che accadano in avanti nel tempo o all'indietro.

Le simmetrie non hanno solo valore estetico in Fisica. Semplificano parecchi goffi calcoli e quindi giocano un ruolo decisivo per la descrizione matematica del mondo microscopico. Un fatto ancora più importante è che le simmetrie implicano un gran numero di leggi di conservazione a livello di particelle. Per esempio c'è una legge che l'energia non può venire persa in collisioni tra particelle elementari, dovrebbe rimanere la stessa prima e dopo la collisione, che è evidente nella simmetria delle equazioni che descrivono le collisioni di particelle. Oppure c'èà una legge di conservazione della carica elettrica che è relativa alla simmetria nella teoria dell'elettromagnetismo.

Lo schema risulta più chiaro

Fu intorno alla metà del 20esimo secolo che la rottura della simmetria apparve per la prima volta negli studi sui principi base della natura. In quel tempo i fisici erano profondamente impegnati nel raggiungere il loro più grande sogno - unificare tutti i più piccoli mattoncini della natura e tutte le forze in una teoria unica. Ma tanto per cominciare, la fisica delle particelle diventava via via più complicata. Nuovi acceleratori costruiti dopo la seconda guerra mondiale produssero un costante flusso di particelle come non fu mai visto prima. La maggior parte non era in accordo con i modelli fisici del tempo, cioè che la materia era costituita da atomi con neutroni e protoni nel nucleo ed elettroni attorno. Indagini più approfondite nelle più profonde regioni della materia rivelarono che protoni e neutroni nascondevano entrambi un tris di quarks. Anche le particelle che erano già state scoperte risultarono consistere di quarks.


All'interno della materia. Elettroni e quarks sono i mattoni più piccoli della materia

Il Modello Standard oggi. Unifica tutti i mattoni fondamentali della natura e tre delle quattro forze fondamentali. Mentre tutta la materia conosciuta è costruita con particelle della prima famiglia, le altre particelle esistono solamente per periodi di tempo estremamente brevi. Per completare il modello è necessaria una nuova particella - la particella di Higgs - che al commnità dei fisici spera di trovare con l'acceleratore LHC recentemente costruito al CERN di Ginevra.

Ora quasi tutti i pezzi del puzzle avevano trovato posto; un Modello Standard per le parti indivisibili della materia comprende tre famiglie di particelle (vedi il diagramma). Queste famiglie si assomigliano l'un l'altra ma solo le particelle della prima e più leggera famiglia sono sufficeintemente stabili per costruire il cosmo. Le particelle nelle due famiglie più pesanti vivono sotto condizioini molto instabili e decadono immediatamente in tipi più leggeri di particelle.

Tutto è controllato dalle forze. Il Modello Standard, almeno al momento, include tre delle quattro forze fondamentali della natura, con i loro messaggeri, particelle che trasportano l'interazine tra le particelle elementari (vedi diagramma). I messaggeri della forza elettromagnetica sono è il fotone con massa zero; la forza debole che riguarda la disintegrazione riadioattiva e fa spledere il sole e la luna è trasportata dai bosoni pesanti W e Z; mentre la forza forte è trasportata dai gluoni, che fa tenere assieme i nuclei degli atomi. La gravità, la quarta forza che ci assicura che teniamo i piedi a terra, non è ancora stata incorporata nel modello e oggi offre una sfida colossale ai fisici.

Lo Specchio è frantumato

Il Modello standard è una sintesi di tutte le intuizioni riguardo la più profonda parte della materia che la fisica ha raggiunto durante il secolo scorso. Si regge fermamente su una base solida teorica che consiste di principi di simmetria di fisica quantistica e della teoria della relatività e poggia innumerevoli testi. Ma prima che il disegno fosse abbastanza chiaro capitarono un numero di crisi che minacciarono questa costruzine ben bilanciata. Queste crisi riguardavano il fatto che i fisici assunsero che le leggi della simmetria si applicavano a questo mondo Lillipuzziano delle particelle elementari. Ma questo risultò non essere completamente vero.

La prima sorpresa avvenne nel 1956 quando due teorici cinesi naturalizzati statunitensi Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang (vinsero il premio Nobel l'anno seguente, nel 1957) sfidarono la simmetria a specchio (simmetria P) nella forza debole. Il fatto che la natura rispettasse la simmetria a specchio, quella che riguarda la destra e la sinistra, era considerato, come per altri principi di simmetria, un fatto ben assodato.

Abbiamo bisogno di rivalutare i vecchi principi nel mondo quantistico, dove esistono le particelle elementari, affermarono Lee e Yang. Proposero una serie di esperimenti per verificare la simmetria a specchio. E quasi certamente, solo pochi mesi più tardi il decadimento del nucleo dell'atomo nell'elemento radioattivo cobalto 60 rivelò che non segue i principi della simmetria a specchio. La simmetria era rotta quando gli elettroni che lasciavano il nucleo del cobalto preferivano una direzione rispetto ad un'altra. Era come trovarsi di fronte alla stazione centrale di Stoccolma e vedere la maggior parte della gente che gira a sinistra uscendo.

L'asimmetria inerente determina il nostro destino

Poteva ben essere che la simmetria di carica e a specchio erano rotte separatamente, ma nello stesso tempo le due assieme, la cosidetta simmetria CP non era mai rotta. La comunità dei fisici si consolò con l'idea che questa simmetria rimaneva intatta. Le leggi della natura, credevano, non cambiavano se ci si spostava in un mondo speculare dove tutta la materia era rimpiazzata da antimateria.

Questo inoltre significa che se incontri un essere extraterrestre non ci sarebbe stato alcun modo per capire se proviene dal nostro mondo o da un mondo di antimateria. Un abbraccio di benvenuto potrebbe allora avere conseguenze disastrose. Solo uno sbuffo di energia rimarrebbe dopo che materia e antimateria si annichilerebbero l'un l'altra al primo contatto.

Così forse fu proprio per questo che le forze deboli vennero alla ribalta nel 1964. Una nuova violazione delle leggi di simmetria emerse nel decadimento radioattivo di una particella strana, chiamata Kaone (Premio Nobel assegnato a James Cronin e Val Fitch nel 1980). Una piccola frazine di Kaoni non seguiva le correnti simmetrie di parità e di carica; rompevano la coppia simmetria CP e sfidavano l'intera struttura della teoria. Pensando agli esseri extraterresti, questa scoperta offriva una via di salvezza. Sarebbe stato sufficiente chiedere all'extraterrestre brima che ci abbracci di guardare attentamente il decadimento del Kaone everificre se è fatto con la stessa nostra materia o di antimateria.

La prima persona che affermò la l'importanza decisiva della rottura di simmetria per la genesi del cosmo fu il fisico russo e premio Nobel per la pace Andrei Sakharov. Nel 1967, stabilì 3 condizioni per creare un mondo come il nostro, vuoto di antimateria. Prima di tutto che le leggi della fisica potessero distinguere tra materia e antimateria, che infatti fu scoperto con la rottura della simmetria CP; in secondo luogo che il cosmo abbia avuto origine nel calore del Big Beng; e terzo che i protoni di ciascun nucle di un atomo si disgreghino. Quest'ultima condizione potrebbe portare alla fine del mondo, poichè imlica che tutta la materia potrebbe eventualmente scomparire. Ma fino ad ora ciò non è mai successo; ed gli esperimenti hanno dimostrato che i protoni restano stabili per 10^33 anni, ben più di 10 mila miliardi di volte l'età dell'universo, che è poco più 10^10 anni. Ed ancora non c'è nessuno che sa come ebbe luogo la catena di eventi di Sakharov agli albori dell'universo.

Risolvendo il mistero della rottura della simmetria

Potrebbe benissimo essere che le condizioni di Sakharov siano alla fine incorporate nel Modello Standard della fisica. Quindi il surplus di materia creata alla nascita dell'universo sarebbe spiegata. Questo, tuttavia, richiede una più grande violazione di simmetria rispetto a quella doppia, che Fitch e Cronin trovarono nei loro esperimenti.

Comunque, anche una rottura di simmetria considerevolmente più piccola di quella di cui sono colpevoli i Kaoni, aveva bisogn di una interpretazione; altrimenti l'intero Modello Standard sarebbe stato minacciato. La domanda sul perchè la simmetria era rotta rimase un mistero fino al 1972, quando due giovani ricercatori dell'università di Kyoto, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa, che erano ben pratici di calcoli di fisica quantistica, trovarono la soluzione in una matrice 3x3.

Come ha luogo questa doppia rottura di simmetria? Ciascun Kaone consiste di una combinazione di un quark ed un antiquark. La forza debole gli fa cambiare identità più e più volte: il quark diventa un antiquark mentre l'antiquark diventa un quark, trasformando così il Kaone nel suo antikaone. In questo modo il kaone ondeggia tra se stesso e l'anti se stesso. Ma se si incontrano le giuste condizioni, la simmetria tra materia e antimateria sarà rotta. I calcoli della matrice di Kobayashi e Maskawa contengono le probabilità per descrivere come la trasformazione dei quarks avrà luogo.


La fisica quantistica sta dietro a questo bizarro atto di trasformazione. Un Kaone può passare dall'essere se stesso o l'anti se stesso - da kaone ad anti kaone e viceversa. Tutte le famiglie dei quarks conosciute oggi devono contribuire al processo dove in alcuni casi la simmetria sarà rotta. La spiegazione di come questo avviene ha dato a Kobayashi e Maskawa il premio Nobel in Fisica.

Ne risultò che i quarks e gli antiquarks si scambiavano l'identità l'un l'altro all'interno della loro famiglia. Se questo scambio di identità con doppia rottura di simmetria prendeva veramente luogo tra materia e antimateria, un'ulteriore famiglia di quarks era necessaria in aggiunta alle altre due. Questo era un concetto chiave, e il Modello Standard accolse questi nuovi quarks teorici, che apparvero come previsto negli esperimenti successivi. Il quark charm venne scoperto nel 1974, il bottom nel 1977 e l'ultimo, il top, nel 1994.

Le fabbriche di mesoni ci danno la risposta

Potrebbe ben essere che la spiegazioe della rottura della simmetria CP fornisce anche una ragione d'essere per la seconda e terza famiglia di particelle. Queste assomigliano alla prima famiglia per molti aspetti, ma sono di così breve durata che non possono formare nulla di duraturo nel nostro mondo. Una possibiltà è che queste particelle capricciose adempissero la loro importante funzione all'inizio del tempo quando la loro presenza garanti la rottura di simmetria che fece vincere la materia contro l'antimateria. Come la natura risolse il problema è, come menzionato prima, qualcosa che ancora non conosciamo nel dettaglio. LA rottura di simmetria ha bisogno di essere riprodotta più e più volte per creare tutta la materia che ci da il nostro cielo stellato.

La teoria di Kobayashi e Maskawa indica anche che dovrebbe essere possibile studiare una maggiore violazione di simmetria in mesoni B, che sono dieci volte più pesanti dei loro cugini, i kaoni. Comunque, la rottura di simmetria accade estremamente di rado nei mesoni B, è necessaria una quantità estremamente grande di queste particelle per trovarne anche solo alcune che rompono la simmetria. Due gigantesche costruzioni che ospitano i rilevatori di particelle BaBar (B e B barrato, dove il barrato sta per l'antiB) all'acceleratore SLAC in Standford, California e Belle all'acceleratore KEK a Tsukuba in Giappone produssero più di un milione di mesoni B al giorno allo scopo di seguire in dettaglio il loro decadimento. Nel 2001, entrambi gli esperimenti indipendenti confermarono la violazione della simmetria dei mesoni B, esattamente come il modello di Kobayashi e Maskawa aveva predetto quasi trent'anni prima.

Questo significava il completamento del Modello Standard, che ha funzionato bene per diversi anni. Quasi tutti i pezzi mancanti del puzzle sono stati sistemati in accordo con il grosso delle previsioni. Tuttavia i fisici non sono ancora soddisfatti.

Le simmetrie si nascondono sotto violazioni spontanee

Come appena spiegato, il Modello standard comprende tutte le particelle elementari e tre delle quattro forze fondamentali. Ma perchè queste forze sono così differenti? E perchè le particelle hanno masse così differenti? Il più pesante, il quark top è più di trecento mila volte più pesante dell'elettrone. Perchè non hanno massa per niente? La forza debole si fa notare in questo ambito ancora: le sue particelle messaggero, W e Z, sono molto più pesanti, mentre il suo alleato, il fotone, che trasporta la forza elettromagnetica, è priva del tutto di massa.

La maggior parte dei fisici pensa che un'altra spontanea rottura di simmetria, chiamata meccanismo di Higgs, distrusse l'originale simmetria tra le forze e diede alle particelle la loro massa nei primi stadi dell'universo.

La strada per questa scoperta fu tracciata da Yoichiro Nambu quando, nel 1960, fu il primo a introdurre la rottura spontanea di simmetria nella fisica delle particelle elementari. E' per questa scoperta che è ora ricompensato con il premio Nobel per la Fisica. Per iniziare, Nambu lavorò sui calcoli teorici di un altro notevole fenomeno in fisica, la superconduttività, in cui le correnti elettriche all'improvvisono scorrono senza alcuna resistenza. La violazione sponstanea della simmetria che descrive la superconducibilità fu più tardi tradotta da Nambu nel mondo delle particelle elementari, e i suoi strumenti matematici ora permeano tutte le teorie che riguardano il Modello Standard.

Noi possiamo essere testimoni di più banali violazioni di simmetria nella vita di tutti i giorni. Una matita in piedi sulla punta conduce una esistente completamente simmetrica nella quale tutte le direzioni sono uguali. Ma questa simmetria viene persa quando cade - ora solo una direzione è importante. D'altra parte la sua condizione è divenuta più stabile, la matita non può cade ancora, ha raggiunto il suo livell odi energia più basso.

Il vuoto ha il livello di energia più basso possibile nell'universo. Infatti, il vuoto in fisica è precisamente uno stato con il livello più basso possibile di energia. Ma non è vuoto di ogni significato. Dall'avvento della fisica quantistica, il vuoto è definito come una zuppa ribollente di particelle che compaiono e immediatamente scompaiono in campi quantistici invisibilima onnipresenti. Siamo circondati da molti diversi campi quantistici che attraversano l'universo; anche le quattro forze fondamentali della natura sono descritte da campi. Uno di questi, il campo gravitazionale, è noto a tutti noi. E' quello che ci tiene giù per terra e ci fa capire ccos'è l'alto e cos'è il basso.

Nambu capì da allora che le proprietà del vuoto son ointeressanti per gli studi sulla rottura spontanea della simmetria. Il vuoto, cioè il livello più basso di energia, non corrisponde allo stato più simmetrico. Come nel caso della matita che cade, la simmetria del campo quantistico è stata rotta e solo una delle moltissime direzioni del campo è stata scelta. Nei decenni recenti, i metodi di Nambu per trattare le violazioni spontanee di simmetria nel Modello Standard sono state raffinate; oggi sono usate frequentemente per calcolare gli effetti della forza forte.

Higgs fornisce la massa

La questione della massa delle particelle elementari è stata anche affrontata dalla rottura spontanea della simmetria dell'ipotetico campo di Higgs. Si pensa che al momento del Big Bang il campo era perfettamente simmetrico e tutte le particelle avevano massa zero. Ma il campo di Higgs, come la matita in piedi sulla sua punta, non era stabile, così quando l'universo si raffreddò, il campo scivolo al suo livello di energia più basso, il suo vuoto secondo la definizione quantistica. La sua simmetria scomparve e il campo di Higgs divenne una specie di sciroppo per particelle elementary; assorbivano diverse quantità del campo e ottennero diverse masse. Alcuni, come i fotoni, non furono attratti e rimasero senza massa, ma perchè gli elettroni acquisirono massa è ancora una domanda a cui nessuno ha ancora risposto.

Come altri campi quantistici, il campo di Higgs ha il suo rappresentante, la particella di Higgs. I fisici sono desiderosi di trovare la particella presto, nel più potente acceleratore di particelle del mondo, l'LHC di ginevra, nuovo di zecca. E' possibile che parecchie diverse diverse particelle di Higgs saranno rilevate - o nessuna. In ogni caso, saranno verosimilmente simmetriche, anche se la simmetria potrebbe non essere evidente all'inizio. Ma si trova li, si mantiene nascosta nella a prima vista disordinata apparenza.

I PREMIATI

Yoichiro Nambu
University of Chicago
Department of Physics
Enrico Fermi Institute
5720 South Ellis Avenue
Chicago, IL 60637
USA
http://physics.uchicago.edu/research/areas/particle_t.html#Nambu
Cittadino statunitense, nato nel 1921 in Tokyo, Giappone.

Makoto Kobayashi
Japan Society for the Promotion of Science (JSPS)
Ichibancho Offi ce 1
Sumitomo-Ichibancho Bldg., 6
Ichibancho
Chiyoda-ku
Tokyo 102-8471
JAPAN
www.kek.jp/intra-e/press/2007/EPSprize2_e.html
Cittadino giapponese nato nel 1944.

Toshihide Maskawa
Kyoto University
Yukawa Institute for Theoretical
Physics (YITP)
Sakyo-ku
Kyoto 606
JAPAN
www.yukawa.kyoto-u.ac.jp/english
Cittadino giapponese, nato nel 1940.



1 commento:

dario ha detto...

azz e poi qualcuno mi chiede ancora a cosa serve un blog...
io di fisica ne mastico molto poco ma grazie a blog come questo riesco a comprenderne un po di più.
se non ti dispiace ti linko da me.
salù dario