Nel mese di novembre ho letto un saggio di Guido Tonelli intitolato: Materia La magnifica illusione. Come riportato dal titolo, in questo libro si parla di materia, ossia di quali sono le particelle elementari che costituiscono l’Universo, qual è la loro origine e cosa le tiene assieme.

Il libro tratta degli argomenti ostici, ma l’autore riesce a parlarne in modo chiaro e scorrevole, semplificando molto i concetti più difficili e alternandoli ad anneddoti mitologici, filosofici o storici:

• Modello Standard: La parola atomo in greco significa indivisibile, infatti si pensava che così fosse e che costituisse la parte più piccola di cui è fatta la materia. Non è così, l’atomo è costituito da elettroni, neutroni e protoni, ma di questi solo l’elettrone è indivibile gli altri due sono costituiti da particelle più piccole i quark. Nel corso degli ultimi 60-70 anni la comunità di fisici si è molto adoperata per studiare a fondo la struttura dell’atomo e della materia e questo sforzo ha portato all’elaborazione di una teoria quantistica basata sul Modello Standard. Questo modello prevede l’esistenza di 4 forze fondamentali (interazione gravitazionale, interazione elettromagnetica, interazione nucleare forte, interazione nucleare debole) e 17 particelle elementari.
• Una cosa che ignoravo è che le forze tra particelle si esplicano attraverso la mediazione di particelle di altro tipo che cambiano a seconda dell’interazione. Quindi prima di tutto le particelle si dividono in fermioni (le particelle elementari che costituiscono la materia) e bosoni (le particelle elementari che fanno da mediatrici di una forza). Poi i fermioni possono essere a loro volta di due tipi:  6 quark (quark up, quark down, quark top, quark bottom, quark charm, quark strage) e 6 leptoni (elettrone, muone, tauone, neutrino elettroni, neutrino muonico e neutrino tauonico). I bosoni invece sono 5: fotone (intererazione elettromagnetica), bosone W (interazione debole), bosone Z (interazione debole), gluone (interazione forte), bosone di Higgs (ha un ruolo per la conferenza di massa alla particelle).
• Gravitazione: Il Modello Standard non include tutto ciò che riguarda la gravitazione perché essa è descritta nella Teoria della relatività generale di Einstein e non ha ancora una spiegazione da un punto di vista quantistico. L’unificazione delle due teorie ancora non è stata possibile e nessuno ha potuto dimostrare l’esistenza dei gravitoni, particelle che potrebbero entrare a far parte del Modello Standard.
• Antimateria: L’antimateria è costituita da antipartecelle, le quali sono particelle che hanno la stessa massa delle corrispondenti particelle ordinarie ma numeri quantici opposti. Per esempio l’antiprotone ha la stessa massa e lo stesso spin di un protone, ma ha carica negativa invece che positiva. L’antineutrone, invece, ha carica neutra come il neutrone, ma momento magnetico uguale ed opposto. “Quando una particella e un’antiparticella vengono a contatto si assiste al fenomeno dell’annichilazione, ovvero si ha la trasformazione della materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma), oppure in altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell’energia totale, precedente e seguente l’evento, rimanga in ogni caso costante” [07].
• Materia oscura (capitolo 7): La materia che conosciamo, quella di cui sono fatte le stelle, i pianeti, le galassie, ecc. è composta per il 98% da elio ed idrogeno e per il 2% da altri atomi. Ma questa materia è il solo 5% della materia che compone l’universo. Dai calcoli fatti dai fisici e in base a considerazioni relative alla differenza dei dati misurati rispetto a quelli previsti dalle teorie conosciute è emerso che debba esistere dell’altra materia che non vediamo (per questo è chiamata oscura). Quindi in pratica l’universo è costituito per il 5% da materia ordinaria (l’unica che conosciamo), per il 27% da materia oscura e per il 68% da energia oscura. La materia oscura è una materia la cui esistenza non è stata dimostrata, che non è visibile perché non emette e non assorbe radiazione elettromegnetica, ma della quale sentiamo soltanto gli effetti gravitazionali. All’energia oscura, invece, si attribuisce la responsabilità di causare l’espansione dell’universo. E’stato dimostrato che l’universo si espanda e che lo faccia a velocità sempre maggiore, ma non si sa per quale motivo questo avvenga. Per spiegarlo è stata introdotta l’energia oscura, la cui esistenza però non è ancora stata dimostrata.  Insomma da quello che ho capito nel futuro o si dimostrarà l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura o si dimostrerà che alcune teorie che i fisici usano in questo momento sono errate o incomplete.
• Vuoto e nulla: Quando in fisica si parla di vuoto non lo si intende come sinonimo di nulla. Insomma se da un ipotetico cubo metallico aspiriamo tutta l’aria e le molecole che contiene al suo interno ci saranno ancora: campi elettromagnetici, fotoni, raggi cosmici, neutrini, campo gravitazionale, campo scalare di Higgs, materia oscura, energia oscura. Inoltre se anche fosse possibile eliminare tutte queste cose dal suo interno e la sua energia fosse nulla, questa energia sarebbe soltanto mediamente nulla perché potrebbero esserci delle fluttuazioni istantanee causate da particella di materia e di antimateria che che interagiscono producendo e consumando energia. Insomma, non poteva essere altrimenti, considerato che, da quello che ho capito, è dal vuoto che è nato l’universo.
• Mega acceleratori: Una cosa che trovo singolare è che per studiare particelle piccolissime siano necessari strumenti enormi, mi riferisco soprattutto agli acceleratori di particelle. L’accelleratore LHC del CERN di Ginevra ha un diametro di 27 Km, l’esperimento CMS al quale partecipa l’autore del libro e che è uno dei quattro esperimenti lungo l’LHC utilizza “un apparato 15 metri di diametro per 22 metri di lunghezza e un peso pari a 14500 tonnellate” [11]. L’acceleratore lineare di Stanford SLAC è lungo 3Km, mentre l’acceleratore DAFNE dell’INFN di Frascati è coistituito da due anelli lunghi 100 metri. Dimensione sproporzionate se paragonate a quella di un protone (0.87 femtometri, ossia 10^-15m) o quella di un quark (10^-18m).
• La massa: “La massa non è una proprietà intrinseca della materia, ma la conseguenza di una dinamica” (p.99, capitolo 4). In pratica esiste un campo scalare prodotto da un bosone (Bosone di Higgs). Più forte è l’intersazione con questo campo, maggiore è la massa che viene attribuita alla particella. Il fotone, per esempio, non vi interagisce ed ha massa zero, i bosoni W e Z invece sì ed hanno massa maggiore di zero.
• Siamo fatti di vuoto: La materia è costituita di atomi. Ogni atomo ha un nucleo circondato da elettroni. Ma la dimensione dell’atomo è molto maggiore di quella del nucleo ed essendo gli elettroni puntiforrmi ne consegue che c’è una gran parte di vuoto nell’atomo. Inoltre il nucleo di un atomo è costituito di protoni e neutroni. Ma le dimensioni di protoni e neutroni sono molto maggiori rispetto a quelle dei quark che li compongono. Anche qui il vuoto prevale sulla materia, “ma è un vuoto intriso di forza forte, di gran lunga la più potente di tutte le colle” (p. 68, capitolo 3).
• Fine dell’universo: L’universo, è stato originato dal Big Bang e da quel momento si espande a una velocità crescente. Cosa succederà in futuro? Non sembra possibile che l’espansione aumenti all’infinito, quindi ci sarà un collassamento in una sorta di rigenerazione ciclica dello stesso (questa teoria è chiamata Big Crunch)? La teoria più accreditata è quella del Big Freeze, ossia nell’universo le distanze diventeranno così enormi che si arriverà a una sorta di congelamento, di morte termica. C’è poi l’ipotesi della Catastrofe del vuoto elettrodebole, secondo la quale, poiché sembra che il bosone di Higgs che conferisce massa a tutte le cose abbia un equilibrio metastabile, se questo equilibrio si dovesse rompere tutta la materia si disintegrerebbe per trasformarsi in energia e si trasformebbe in un insieme di plasma rarefatto di particelle (un bel casino, oserei dire).

La fisica quantistica è molto interessante, ma anche estremamente complicata. E’ un settore scientifico in continuo divenire nel senso che, a detta degli stessi fisici che se ne occupano, tanti sono ancora i misteri e i dubbi. Quindi è lecito aspettarsi che nei prossimi anni, forse nei prossimi decenni, ci saranno ancora molte scoperte alcune delle quali potrebbero se non stravolgere perlomeno modificare radicalmente le nostre conoscenze. Quello che però mi sento di poter affermare è che a questo livello mi sembra chiaro che si parli di particelle così semplici ed elementari che mi sembra strano si possa pensare di trovare in esse qualcosa di più come sostiene Federico Faggin in [04]. Quest’ultimo è un libro che ho già letto ma che ho trovato particolarmente ostico, probabilmente lo dovrò rileggere alla luce delle conoscenze acquisite leggendo il libro di Guido Tonelli.

L’autore

Guido Tonelli è un fisico del Cern, professore dell’Università di Pisa, ma anche un famoso saggista e divulgatore scientifico. E’ stato portavoce dell’esperimento CMS presso il CERN, che ha portato alla scoperta del bosone di Higgs.

 

Fonti e riferimenti

• [01] Materia. La magnifica illusione, Guido Tonelli, Feltrinelli.
• [02] Il modello standard delle particelle: lezione tenuta da Danilo Domenici, ricercatore dell’INFN, su Youtube.
• [03] La Fisica delle Particelle e l’Universo spiegata con i Lego: Parte 1 (le particelle)  – Parte 2 (le forze) – Parte 3 (big bang) – Parte 4 (nucleosintesi) – Parte 5 (forma delle molecole) di Cristina Milano su Youtube.
• [04] Irriducibile, Federico Faggin, Oscar Mondadori.
• [05] I saggi più interessanti letti nel 2023.
• [06] I numeri quantici su Wikipedia.
• [07] Antimateria su Wikipedia.
• [08] Materia oscura su Wikipedia.
• [09] Shedding light on dark matter, Ted Talk di Patricia Burchat. In questo talk si parla di materia oscura e di energia oscura.
• [10] La materia oscura dal blog di Andrea Minini.
• [11] Compact Muon Solenoid sul sito dell’INFN.
• [12] Le dimensioni dell’atomo su Scienzapertutti.it.