Viaggio al centro della scienza. Breve reportage dal CERN di Ginevra.

Nella tranquilla campagna sul confine tra Svizzera e Francia, a pochi chilometri dalla dinamica e ricca città di Ginevra, centro culturale e finanziario della regione, si trova il “Conseil européen pour la recherche nucléaire”, meglio noto con l’acronimo di CERN; il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle. Ma il CERN è molto di più.

Nel 1949 fu uno degli scienziati padri fondatori della teoria dei quanti, il fisico francese Louis de Broglie, ad avanzare ufficialmente la prima proposta per la creazione di un laboratorio europeo di fisica nucleare. Nel 1952 undici paesi firmarono un accordo che istituiva un Consiglio provvisorio, Ginevra venne scelta come sito per il futuro Laboratorio e la convenzione vera e propria venne istituita nel luglio 1953 e ratificata dagli stati fondatori, che nel frattempo erano diventati 12. Il 29 settembre dell’anno seguente il CERN veniva ufficialmente istituito. Nel 1957 venne costruito il suo primo acceleratore di particelle e da allora, a grandi passi che hanno segnato il cammino della fisica delle particelle, si è arrivati alla tecnologia che ha reso possibile nel luglio del 2012 il rilevamento del Bosone di Higgs, ribattezzato come “particella di Dio” che ha aperto nuovi scenari e prospettive di studio sul mondo della fisica nucleare per la comprensione dell’universo.

Oggi il CERN è uno degli organi vitali e simbolo del progresso scientifico umano. Una vera e propria comunità internazionale costituita da 22 stati membri dove lavorano oltre 10.000 scienziati e tecnici di 100 diverse nazionalità.  In questo luogo le menti più brillanti del mondo per quanto riguarda la fisica, e non solo, operano fianco a fianco in una comunità ideale ed esemplare che è un modello perfetto di tolleranza, rispetto e integrazione, con un obiettivo comune: rispondere ad alcune delle domande fondamentali dell’essere umano. Qui si cercano risposte sull’origine della materia e dell’universo, si tenta di scoprire i più reconditi segreti della natura e risolvere enigmi quali l’energia e la materia oscure.

In questa ricerca che travalica gli ambiti strettamente scientifici, questi pionieri del sapere hanno a disposizione le tecnologie più all’avanguardia che si trovano sul nostro pianeta, ritrovati della scienza tecnologica quasi fantascientifici che hanno permesso la costruzione di una delle opere umane più incredibili fino a questo momento mai realizzate: l’LHC. Il “Large Hadron Collider”, grande collisore di adroni, è il più grande e tecnologico acceleratore di particelle del mondo ed è stato costruito proprio per comprendere a fondo la struttura e il comportamento della materia e scoprire i segreti dell’universo intorno a noi.

Questo grande acceleratore circolare che ha un diametro di 27 Km, si trova sul confine tra Svizzera e Francia a una profondità di 100 metri sotto un’area che si estende dall’aeroporto di Ginevra fino ai monti Giura, ed è stato concepito per accelerare fino a una velocità prossima a quella della luce particelle subatomiche a energie mai raggiunte prima da esseri umani in un laboratorio. Lo scopo è far collidere queste particelle ed analizzarne il comportamento per comprenderne i segreti. Di fatto possiamo dire che LHC è il più potente microscopio del mondo costruito utilizzando tonnellate di acciaio, rame, alluminio, nichel e titanio oltre a tubi contenenti grandi quantità di elio liquido raffreddato. Il tutto supportato da un’elettronica a dir poco avanguardistica.

Noi di cafeboheme.cz siamo entrati a dare un’occhiata a questo miracolo dell’ingegno umano per capire un po’ più in profondità cosa accade al CERN, e per questo abbiamo intervistato un giovane fisico italiano, una delle tante menti brillanti del nostro Paese che qui lavorano per il progresso della scienza, della tecnica, ma soprattutto dell’Umanità.

Ritiriamo il nostro press pass alla reception proprio di fronte al “Globo della Scienza e dell’Innovazione“, la struttura a cupola in legno alta 27 metri concepita come spazio espositivo per presentare ai visitatori le ricerche del CERN.  Ad accoglierci c’è il nostro contatto, Michele Selvaggi. Michele ha il classico sguardo intelligente dello scienziato. Misura le parole e si esprime con molta precisione. Nonostante sia molto giovane vanta già un CV straordinario e al CERN si occupa di varie cose tra cui verificare la fattibilità di progetti futuri che hanno davvero dell’incredibile.

Per dei profani come noi, mettere piede in questo santuario della scienza è un’emozione davvero grande soprattutto perché, come abbiamo detto, il CERN è molto di più di un semplice laboratorio di fisica nucleare. Basti dire che proprio qui, nel 1989 lo scienziato Tim Berners Lee ha inventato il World Wide Web (WWW) che ha letteralmente cambiato il mondo.

All’interno degli edifici, la comunità di scienziati è vestita in modo casual, non si vede molta formalità in giro. Controllo, però, quello sì. Percorrendo i lunghi corridoio si sente parlare italiano, francese, tedesco, ma soprattutto inglese, la lingua franca che nella comunità scientifica accomuna tutti. Si incontrano uomini e donne, soprattutto giovani, di tutte le razze. Al CERN non c’è spazio per l’intolleranza; non si parla di religione né di politica, quello che interessa è la scienza, e la fisica delle particelle in particolare. In uno dei lunghi corridoi dell’edificio 33 dove fisici, informatici e ingegneri hanno il loro studio, tra i molti cartelli in mostra sulle bacheche o sulle porte degli uffici ce n’è uno che colpisce subito la nostra attenzione. Sopra vi è scritto: ”CERN-LGBT” basti questo a far capire il livello di tolleranza che si respira da queste parti.

Michele ci porta in giro a visitare il centro: la ricca biblioteca, l’ufficio stampa, alcuni laboratori e gli spazi comuni dove trascorre serena la vita quotidiana degli eletti a far parte di questa grande squadra di studiosi. Non possiamo resistere alla tentazione di entrare nella ampia sala conferenze dove nel luglio del 2012 venne data al mondo la notizie del rilevamento del Bosone di Higgs, e che ha visto passare nel corso degli anni i più grandi fisici del pianeta.

Poi ci sediamo fuori per pranzare insieme e iniziamo la nostra breve intervista al dott. Michele Selvaggi

 

CB. Proprio poche settimane fa sulla stampa è apparsa la notizia della scoperta della particella “Xi” che pare sia coinvolta nel processo di “tenere insieme la materia”. Puoi spiegarci di cosa si tratta?

MS. La particella Xi è un adrone, e come tale è composta da un insieme di quark, nel caso specifico da un quark “up” e due quark “charm”. I quark non si possono osservare singolarmente in natura, ma solo in questi stati compositi, a causa di una proprietà specifica dell’interazione “forte” (da cui il nome adroni, da “hadros” in greco) chiamata “confinamento” (“confinement” in inglese). Se si prova a separare due quark l’energia richiesta cresce con la distanza come per una molla. Per questo i quark preferiscono vivere insieme in questi stati compositi.

Esistono diversi tipi di quarks, “up”, “down”, “strange”, “charm” ecc.. , quindi esistono una miriade di stati adronici composti da combinazioni di due (i mesoni) o tre quarks (i barioni). Il protone e il neutrone, per esempio, che compongono i nuclei degli atomi che ci circondano sono barioni. La particella Xi fa parte della stessa famiglia. Si capisce quindi che studiare le proprietà degli adroni permette di conoscere meglio i dettagli dell’interazione forte, quindi ciò che tiene insieme la materia.

 

CB. La scoperta del “Bosone di Higgs” ha fatto molto parlare del CERN negli ultimi anni a livello mondiale anche tra i non addetti ai lavori. Dal 2012 ad oggi quali altri importanti scoperte sono state fatte a partire dalla rilevazione di quella che è stata definita dai media, certamente in modo improprio: “La particella di Dio”?

MS. Non vi è stata nessuna scoperta maggiore dal 2012 del “calibro” del bosone di Higgs. Tuttavia il fatto stesso di non osservare nulla di nuovo contiene un ‘informazione. Per essere più specifici, il bosone di Higgs è stato osservato e sembra molto simile a quello predetto dalla teoria. Più il CERN accumula dati e più le sue caratteristiche (la massa, quanto forte è la sua interazione con altre particelle conosciute) saranno misurate con maggior precisione. L’LHC è come una lente d’ingrandimento che col tempo acquisisce più potere ingrandente. Il bosone di Higgs è senz’altro la particella del modello standard le cui caratteristiche sono conosciute con la minor precisione ad oggi. Misurare con grande precisione le sue caratteristiche vuol dire capire se è uno stato elementare o composito ed avere accesso indirettamente a nuovi stati che potrebbero interagire con lui. Se la teoria è corretta, e per il momento sembra che lo sia, ogni particella che ha una massa interagisce, “vede” l’Higgs. L’Higgs è come un portale verso nuovi mondi: può dare accesso a nuovi stati di materia fino ad oggi inaccessibili, come la materia oscura per esempio.

 

CB. Nel 1943, in Svizzera, venne pubblicato il libro di Hermann Hesse: “Il giuoco delle perle di vetro”. Il romanzo parla di una élite di intellettuali che vive in un futuro remoto, in una comunità nella regione immaginaria di “Castalia”. Questa comunità è indipendente e staccata dal resto del mondo e rappresenta un centro avanzatissimo di conoscenza. Possiamo dire che oggi il CERN, che raggruppa le migliori menti del mondo nel campo della fisica, e non solo, sia una realizzazione, per certi aspetti, dell’utopia di Hesse?

MS. Sicuramente il CERN è ad oggi, per dimensioni e scopo, il laboratorio di maggiore importanza del mondo. Non bisogna però dimenticare che quello che alimenta la sua eccellenza è il mondo accademico. Il CERN è sicuramente un luogo dove le varie realtà accademiche del mondo intero si incontrano. Una cosa che non si sa è che il personale del CERN è a maggioranza composto da personale tecnico e ingegneri, i fisici sono solo il 5%. Quindi non credo che la comunità CERN sia staccata dal resto del mondo, al contrario.

 

CB. Una domanda che spesso vi pongono riguarda le possibili applicazioni pratiche delle ricerche e degli esperimenti che vengono condotti al CERN. Puoi spiegarci, secondo te, quali potrebbero essere effettivamente queste applicazioni future in campo tecnologico e/o in altri campi dello scibile umano?

MS. Guardando al passato non vi è alcun dubbio che le tecnologie inventate e sviluppate per la fisica delle alte energie sono state di importanza capitale per l’umanità, gli acceleratori di protoni per curare il cancro, i PET scan che usano tecniche simili a quelle di un rivelatore come ATLAS o CMS, senza parlare di invenzioni a priori non connesse con il mondo della fisica come il web. Per il futuro vedo sicuramente una possibile sinergia nella ricerca e sviluppo sui magneti superconduttori, come quelli usati nell’LHC, e quelli che verranno usati per confinare il plasma nei reattori a fusione (vedi ITER per esempio), che potrebbero forse un giorno produrre enorme quantità di energia pulita a basso costo.

 

CB. LHC è sicuramente una delle costruzioni umane più avanguardistiche, visto che deve svolgere un compito che in natura, sul nostro pianeta, non accade spontaneamente. Potresti illustrarci in poche parole cosa è LHC e su quali principi funziona?

MS. LHC è un tunnel di 27 km di forma circolare, scavato a circa 100 m di profondità. In questo tunnel circolano due fasci di protoni in senso opposto (o occasionalmente ioni pesanti). L’LHC è composto da 1600 di magneti superconduttori che producono un enorme campo magnetico (8T) che serve a mantenere i fasci, su una traiettoria circolare.

Nell’LHC i protoni hanno un’energia di gran lunga superiore alla loro massa (7000 volte). Per questo quando s’incontrano sono in grado di creare particelle ben più pesanti di loro (E=mc2), come il bosone di Higgs per esempio. Per studiare nel dettaglio i prodotti di queste interazioni si costruiscono enormi rivelatori intorno al punto d’interazione, che hanno come compito quello di identificare e misurare i prodotti di decadimento di queste interazioni. Questi esperimenti sono ATLAS, CMS, LHCb, e ALICE.

 

CB. Spesso, e troppo facilmente, scienza e materie umanistiche vengono viste come agli antipodi tra loro. Eppure se si va in profondità si scoprono molte e inaspettate analogie. Guido Tonelli, in un suo libro divulgativo molto interessante (“La nascita imperfetta delle cose”; 2016) ha scritto che ai confini della conoscenza, scienziati, pazzi e poeti si incontrano. Sei d’accordo con questa affermazione? C’è in essa un fondo di verità o ritieni sia solo una bella frase ad effetto?

MS. Sicuramente ciò che accomuna coloro che pensano il mondo, che siano scienziati, pazzi o poeti, è che si nutrono di una esaltazione comune nel processo della creazione e della scoperta.

 

CB. Qual è normalmente l’atteggiamento più diffuso degli scienziati riguardo, invece, a questioni come la religione? Ritieni che un fisico debba, per coerenza, necessariamente essere ateo o agnostico? E come vengono visti gli scienziati che dichiarano apertamente di essere credenti?

MS. Mi sembra di osservare che in generale chi fa scienza si interessi abbastanza poco di religione. Diciamo che qui al CERN, come in gran parte degli ambienti accademici che ho frequentato, l’appartenenza religiosa viene vissuta per lo più come un fatto privato.

Le leggi dell’universo per come le conosciamo sono invarianti nel tempo e nello spazio. Oltretutto concetti che sono presenti nelle religioni propri alla sfera umana, come l’etica per esempio, sono totalmente assenti nella fisica, perché non necessari per spiegare il mondo, sia su scale infinitamente piccole che infinitamente grandi.

Quindi se dal punto di vista della scienza possono essere compatibili il sistema di valori e di etica che le religioni promuovono, in quanto applicabili alla dimensione umana, sembrano esserlo meno concetti come la provvidenza.

Si può’ tuttavia leggere nell’esistenza stessa di queste leggi, e in particolare nella semplicità e nell’eleganza della forma matematica che assumono una forma di ordine prestabilito.

 

CB. Una domanda che si ricollega alla precedente: qualora si riuscisse a capire tutto, come cioè l’universo abbia avuto inizio e tutti gli altri interrogativi che impegnano la vostra ricerca, si riuscirà, secondo te, anche a dare una risposta a domande quali, ad esempio, l’esistenza di Dio e lo scopo dell’esistenza dell’universo stesso?

MS. La fisica si propone di fornire gli strumenti per spiegare le leggi del funzionamento dell’universo. Riguardo allo scopo dell’esistenza dell’universo, basti pensare al suo più probabile destino: in un universo in espansione accelerata, quale il nostro, quando le ultime stelle dell’universo avranno bruciato tutto l’idrogeno al loro interno, e, molto tempo in avanti, gli ultimi buchi neri saranno evaporati, l’universo che conosciamo sarà un posto buio e freddo, che non permetterà la minima possibilità di vita. È’ difficile immaginare che l’esistenza di un tale universo abbia uno scopo.

 

CB. Quali sono le nuove e le future frontiere della ricerca nel campo della fisica delle particelle, e quali le sfide che la prossima generazione di fisici si troverà ad affrontare?

MS. Oggi con il nostro microscopio (LHC) studiamo cosa succede su scale di lunghezza dell’ordine di 10-16 cm e sappiamo quindi che ce n`è ancora per qualche secolo come minimo. Sappiamo che la teoria che usiamo (il modello Standard) è valida fino alle scale di energia che sondiamo, ma non abbiamo idea di cosa succeda nei 15 ordini di grandezza mancanti fino alla scala di Planck (10-32 cm), dove gli effetti della gravità quantistica diventano importanti. O meglio un’idea ce l’abbiamo ma non abbiamo esperimenti in grado di sondare così a fondo la materia. Inoltre senza andare così lontano, “dietro l’angolo” ci sono cose importanti da capire come la materia oscura, le masse dei neutrini, e come dicevo prima le proprietà` del bosone di Higgs.

 

CB. Credi possa esistere un limite, diciamo così, “fisiologico” alla capacità di conoscenza umana? Mi spiego meglio: sarà sempre possibile reperire materiali e costruire strumenti sempre più sofisticati per procedere nella comprensione dei segreti della materia? Oppure arriverà necessariamente un punto oltre il quale non sarà possibile andare oltre?

MS. Per quanto ne sappiamo il limite fisiologico esiste, e si identifica con scala di Planck ma è talmente lontano che i risultati degli esperimenti odierni non ne sono influenzati. Per sondare un volume “planckiano” bisognerbbe mandare un segnale, luminoso per esempio, estremamente energetico, che creerebbe immediatamente un buco nero in quello spazio, negando la possibilità` stessa di osservare quella porzione di spazio. Molti pensano che questo implichi una ridefinizione totale dei principi fondanti della fisica moderna, la meccanica quantistica e il concetto stesso di spazio tempo.

 

CB. Spesso, a livello divulgativo, si sentono teorie sulla struttura dell’universo che superano di gran lunga la più sfrenata fantasia, vedi ad esempio: la Teoria delle Stringhe, l’universo multi dimensionale, l’universo ologramma ecc. Se dovessi dirlo in modo semplice, come definiresti il nostro universo e quale potrebbe essere la sua struttura più probabile?

MS. La teoria delle stringhe ambisce a spiegare cosa succede a scale estremamente piccole, dell’ordine della scala di Planck, di cui parlavamo prima, quando i fenomeni della gravità quantistica diventano importanti.

-Si rimpiazzano oggetti puntiformi con delle piccole stringhe aperte o chiuse.

I vari modi possibili di vibrare riflettono l’esistenza di diversi tipi di particelle, quark, elettroni, ecc…

– Si postula l’esistenza di dimensioni supplementari, oltre alle 3+1 (spazio+tempo) alle quali siamo abituati. Queste dimensioni supplementari non sono aperte come le nostre ma chiuse in se stesse (compattificate) con curvature dell’ordine di lP, per questo non le vediamo.

– Un aspetto importante della teoria delle stringhe è che lo spazio-tempo non è più qualcosa in cui gli eventi semplicemente accadono, ma diventa attore stesso delle interazioni.

– Infine, affinché la teoria si riduca a bassa energia e predica un mondo simile al nostro deve necessariamente essere “super-simmetrica”. La super-simmetria implica l’esistenza di una copia per ogni tipo di particella (da non confondere con l’antiparticella). La super simmetria è un campo di ricerca attivo all’LHC, che per ora purtroppo non ha dato risultati positivi.

Spesso si accusa la teoria delle stringhe di non fare predizioni testabili sperimentalmente. È vero, ma ciò non dipende dal fatto che tale teoria non sia in grado di fare predizioni attendibili, ma semplicemente perché si occupa di spiegare il mondo ad una scala infinitesimamente più piccola di quelle che siamo in grado di studiare, ed i suoi effetti su ciò che possiamo osservare, se esistono, sono trascurabili.

 

CB. Uno dei concetti che più di tutti stimola la fantasia dei non addetti ai lavori è quello di “materia oscura”. Si legge spesso che la materia oscura e l’energia oscura costituiscono il 95% dell’universo e, di conseguenza, l’universo conosciuto sia inferiore al 5%. Naturalmente questa cosa scatena la fantasia di molti e apre la speculazione alle più azzardate teorie che sconfinano immediatamente nella metafisica e oltre. Ma uno scienziato come interpreta questo tipo di materia e di energia?  E che ruolo hanno nel “funzionamento” dell’Universo?

 

MS. I due concetti sono separati fra loro, per quanto ne sappiamo. La materia oscura è qualcosa di estremamente concreto, e una campo di ricerca fra i più attivi in fisica delle alte energie. Siamo sicuri della sua esistenza perché studiando la velocità di rotazione delle galassie non si può rendere conto della distribuzione di velocità se non aggiungendo materia che interagisce attraverso la forza di gravità e poco o niente attraverso le altre interazioni conosciute (in particolare l’interazione elettromagnetica, ragione per cui viene detta “oscura”). La spiegazione più probabile è che si tratta di materia come gli elettroni, ecc. che però interagisce in modo estremamente debole con la materia comune. Esistono numerosissimi esperimenti che provano a rilevarla, incluso l’LHC.

L’energia oscura è un’altra cosa. L’universo si sta espandendo in modo accelerato. Questo non sarebbe possibile se la dinamica dell’universo a livello macroscopico fosse interamente determinata dalla forza di gravità che invece tenderebbe a frenarne l’espansione. L’energia oscura, chiamata anche costante cosmologica, è un’energia del vuoto che esiste in ogni punto dell’universo ed è responsabile della creazione di spazio addizionale. Nonostante il valore della costante cosmologica venga misurato sperimentalmente con buona precisione, non esiste nessuna teoria che ne possa predire il valore e questo costituisce uno dei maggiori problemi aperti della fisica moderna.

 

CB. Il Modello Standard è ancora completamente stabile e funzionale, oppure si può già pensare che in un giorno non molto

lontano bisognerà rivedere il tutto ed elaborare un modello più adatto a descrivere la complessità del reale?

MS. Il modello standard (MS) è funzionale in quanto produce delle predizioni che sono in accordo con i dati sperimentali. Tuttavia sappiamo che si tratta di un modello incompleto, in quanto non integra materia oscura, le masse dei neutrini, o la gravità quantistica, come detto precedentemente.

 

Ringraziamo Michele che deve partire tra poco per Bruxelles, ma prima ci porta a vedere il suo ufficio nell’edifico che raccoglie i dati degli esperimenti ATLAS e CMS tra i rilevatori dell’LHC. Una cosa attira subito la nostra attenzione: fuori, accanto alla costruzione, c’è una statua del dio Indù Śiva nella sua forma Naṭarāja, che lo rappresenta nell’atto della danza. Questa grande statua fu regalata al CERN dal governo indiano nel 2004. Ci torna subito in mente il libro “Il Tao della Fisica”, dello scienziato e saggista austriaco Fritjof Capra che mette in relazione la fisica moderna con le antiche idee religiose e metafisiche dell’Oriente. Ci ricordiamo delle parole dette poco fa da Michele e cioè che tra gli scienziati non si parla di religione e filosofia, ma vedere questa statua, proprio lì nel Sancta Sanctorum della fisica nucleare, non stona affatto, anzi, contribuisce a rendere questo posto un luogo ancora più straordinario.

Salutati Michele e le ragazze gentili del Press Office, ci avviamo ad uscire dal CERN ancora emozionati per quanto visto e appreso in questi due giorni trascorsi lì.

Nell’andare via incrociamo in uno dei corridoi due ragazzi giovani che indossano T-shirt con sopra immagini dei personaggi tratti dal film “Il Signore degli Anelli” dall’omonimo racconto di J.R.R. Tolkien. Chissà se anche loro hanno fatto il paragone che a noi sorge spontaneo, e cioè che oggi sono loro i custodi di questo vero anello di enorme e straordinaria potenza, quasi magica, che si trova nelle viscere di questa antica e ideale Terra di Mezzo.

Mauro Ruggiero