DALLA FISICA CLASSICA AL BOSONE DI HIGGS

DALLA FISICA  CLASSICA AL BOSONE DI HIGGS

Nell’aula Paolo VI dell’Istituto Lorenzo Gigli di Rovato, il 15 marzo 2019, il Professor Davide Pagano, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale della Facoltà di Ingegneria di Brescia, ha tenuto una conferenza su alcuni importanti traguardi della fisica moderna. Il professore ha offerto un interessante excursus sulla storia della fisica, dalla sua nascita nell’antico Egitto fino ai giorni nostri.

Il prof. Pagano durante la conferenza

La fisica è la scienza che indaga i fenomeni naturali e il cui obiettivo è la formulazione di leggi che ne permettano una conoscenza razionale, la più esatta possibile. Nasce come vera e proprio scienza intorno al VI-V secolo a.C. con Talete che rifiuta le spiegazioni non razionali della natura (miti e cosmogonie a sfondo religioso) alla ricerca dei principi costitutivi della realtà, concepiti in modo quantitativo o qualitativo, prescindendo da interpretazioni casualistiche. Con Aristotele, l’indagine della natura viene formalizzata secondo un metodo analitico delle proposizioni unito alle osservazioni sperimentali. Empedocle introduce i concetti delle forze attrattive e repulsive, che regolano i mutamenti e le interazioni fra gli elementi materiali sostanziali del cosmo. I filosofi Leucippo e Democrito introdussero il concetto di atomo, l’elemento fondamentale della materia.

La fisica classica ha inizio nel Rinascimento, quando il problema della natura viene studiato con un metodo sperimentale, strettamente legato al ragionamento matematico. La potenza di tale metodologia di indagine porta, alla fine del XVII secolo, a una nuova visione meccanicistica della natura con la formalizzazione del concetto di forza e la spiegazione dei fenomeni naturali in termini di comportamento dei corpi materiali sottoposti a sistemi di forze. La scoperta dei nuovi fenomeni condusse inoltre alla definizione di concetti fondamentali quali energia, campo e atomo.

Nei secoli XVIII e XIX la fisica vede un rapidissimo sviluppo che ne costruisce il linguaggio e gli strumenti ideali nella costituzione dei modelli. I passi più importanti in questi due secoli sono numerosissimi: la scoperta dei fenomeni elettrici e magnetici, la formalizzazione della meccanica analitica e gli studi della meccanica celeste, la costituzione di una teoria atomica della materia e la formulazione della teoria cinetica dei gas, la definizione del concetto di calore e dei principi della termodinamica.

Sulla natura della luce si è discusso per secoli e con autorevoli pareri di per sé contrastanti. Già nel ‘600 in Inghilterra Newton riteneva che la luce fosse formata da uno sciame di particelle infinitesime che, uscendo dalla sorgente che le genera, si propagavano in linea retta e in tutte le direzioni dello spazio. Per contro il fisico olandese suo contemporaneo Huygens sosteneva che la luce avesse un comportamento ondulatorio che si propagava nello spazio come un’onda, allo stesso modo con cui la superficie piatta di uno stagno si increspa, generando onde circolari concentriche quando viene colpita da un sassolino.

Alla fine del XIX secolo, la luce e ogni altro tipo di radiazione elettromagnetica venivano considerate come “treni d’onda continui”, infatti molti fenomeni luminosi venivano spiegati in base alle leggi della fisica classica. Tuttavia i molti tentativi condotti per spiegare mediante la teoria ondulatoria altri fenomeni, come l’effetto fotoelettrico, risultarono pienamente insoddisfacenti, fino a che nel 1900 Max Planck avanzò un’ipotesi rivoluzionaria, secondo la quale l’energia radiante non viene emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite detti quanti. Nel 1905 A. Einstein applicò l’ipotesi di Planck per spiegare l’effetto fotoelettrico. Già da tempo si sapeva che una lamina metallica, investita da radiazioni di frequenza sufficientemente elevata, si caricava positivamente. Dopo la scoperta dell’elettrone si provò che l’effetto era dovuto all’emissione di elettroni dalla lamina. Tali elettroni sono trattenuti all’interno del metallo da una certa energia e per espellerli occorre, naturalmente, investire il metallo con una radiazione almeno pari all’energia che li trattiene.

L’interpretazione dell’effetto fotoelettrico aveva dimostrato che la luce può comportarsi, oltre che come onda, anche come particella. Nel 1924, De Broglie avanzò un’ipotesi che poggiava sul suo radicato convincimento dell’unità della natura. Così come vi è un comportamento corpuscolare delle onde, così deve esserci un comportamento ondulatorio delle particelle. Nel 1927 l’ipotesi di De Broglie venne confermata dai valori sperimentali di Thomson. Essi dimostrarono che un fascio di elettroni accelerati subisce da parte di un reticolo cristallino un fenomeno tipicamente ondulatorio: la diffrazione.

Nel 1917 Heisenberg formulò il suo famoso principio di indeterminazione, nel quale sosteneva che esistono coppie di grandezze che non possono venire misurate contemporaneamente con la necessaria precisione, anzi la precisione di misura dell’una è inversamente proporzionale alla precisione di misura dell’altra. Gli sviluppi più recenti della fisica sono in gran parte mirati all’indagine della struttura atomica e subatomica.

Un altro argomento che ha suscitato interesse è il fenomeno della superconduttività, caratteristico di alcune sostanze conduttrici nelle quali, al di sotto di una determinata temperatura critica, si verifica una brusca diminuzione della resistività. A tale fenomeno è associato un analogo effetto di diminuzione della permeabilità magnetica per campi magnetici superficiali al di sotto di un valore critico, legato anch’esso alla temperatura.

Poi il Professor Pagano ha raccontato la sua esperienza al CERN di Ginevra, l’organizzazione europea per la ricerca nucleare che è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle, al confine tra Svizzera e Francia. Lo scopo principale del CERN è quello di fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie. Questi sono principalmente gli acceleratori di particelle che portano nuclei atomici e particelle subnucleari a energie molto elevate, e i rilevatori che permettono di osservare i prodotti delle collisioni. A energie sufficientemente elevate, nelle collisioni vengono prodotte tantissime particelle diverse, tante nuove tra cui il bosone di Higgs. Esso è un bosone elementare, massivo e scalare che svolge un ruolo fondamentale all’interno del Modello standard (è stato rivelato per la prima volta nel 2012 negli esperimenti ATLAS e CMS, condotti con l’acceleratore LHC). La sua importanza è quella di essere la particella associata al campo di Higgs, che secondo la teoria permea l’universo conferendo la massa alle particelle elementari.

I laboratori del CERN a Ginevra

Il Professor Pagano ha concluso la sua relazione accennando ad alcuni dei problemi ancora insoluti, cui la fisica è chiamata a rispondere. La più grande e impegnativa delle sfide ancora aperte è quella dell’unificazione delle teorie relative alle quattro interazioni conosciute in natura (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e forte) in un’unica teoria che possa spiegare completamente il comportamento della materia.

Andrea Cittadini

Pubblicato da ilgiornalinogigli

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