Dal bosone di Higgs al nuovo concetto di massa
Ricordo che un giorno, mentre studiavamo uno dei tanti teoremi di meccanica razionale, in modo
apparentemente casuale, il mio compagno di studi, con un curriculum di brillanti risultati scolastici,
mi confessò di non aver capito il terzo principio della dinamica: ad ogni forza applicata ad un
oggetto si oppone un’altra uguale e contraria. Se questo è vero mi chiedo, diceva, come fa un grave
a cadere se a questo si oppone una forza uguale e contraria?
Rimasi perplesso, senza argomenti per dare la spiegazione. Ma istintivamente, seduto dietro la
scrivania insieme a lui, mi spinsi con le mani contro la scrivania e mi ritrovai respinto indietro sulla
sedia che si inclinava e istintivamente dissi: ma dipende dalla massa!
Il campione trasalì: ma certo dipende dalla massa! Non ci avevo pensato!
Rimasi sorpreso di tanto successo, perché non avevo ben compreso quale era la chiave del
problema: ma pensando al primo principio della dinamica (forza uguale alla massa per
l’accelerazione) lui aveva trovato la risposta: il grave cade verso la terra ma anche la terra cade
verso il corpo; solo che l’accelerazione del grave è quella nota della gravità di 9,81 metri al
secondo quadrato, mentre quella della terra (confrontando le masse) è pressoché nulla.
La massa non è la forza, certo, e non è quindi il peso ma sembra entrare in gioco quando c’è una
forza o un’energia che agisce su un corpo materiale. Più materia c’è nel corpo più grande è la
massa. Si parla di massa inerziale, gravitazionale etc; più grande è la massa e più è grande l’inerzia
al movimento.
Ma poi c’è la famosa E=mc2 che lega in modo inequivocabile la massa e l’energia ed allora
dobbiamo capire perché la massa (quindi la materia) può produrre energia e quanta!
Ma non basta, la massa aumenta quando la velocità del corpo è paragonabile a quella della luce,
infatti dalla teoria della relatività scaturisce che la massa varia con v, secondo la formula m(v)=
m(0)/ √1 − 𝑣 2 /𝑐 2 . Alla velocità della luce, la massa diventa infinita.
La più famosa formula di Einstein ci ha rivelato come viene prodotta l’energia delle stelle e del
nostro sole, ed ha portato inevitabilmente alla bomba atomica. La trasformazione dell’idrogeno in
elio si traduce ina una infinitesimale riduzione della massa ed ad una produzione di energia
secondo la formula nota. In parole povere se la massa decresce c’è una produzione di energia, se la
massa cresce vuol dire il contrario: abbiamo trasferito energia alla massa.
Siamo autorizzati a pensare che l’energia potrebbe diventare massa quindi materia. Se riusciamo a
vedere l’energia trasformarsi in materia, in un certo senso, noi assistiamo alla creazione!
La struttura della materia
Leggendo la lunga storia della ricerca dei componenti elementari della materia, i crolli continui
delle certezze acquisite, le sorprese, le delusioni, gli insuccessi e la sempre maggiore difficoltà di
comprendere alcuni risultati degli esperimenti, ho pensato che i famosi versi del padre Dante
potrebbero essere scolpiti su tutti i laboratori di ricerca dell’intima struttura della materia. “Per me
si va nella città dolente, per me si va nell’eterno dolore, per me si va tra la perduta
gente;……..Lasciate ogni speranza o voi che entrate”;
La materia è costituita da atomi, gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale e da elettroni che
ruotano intorno al nucleo come pianeti; la distanza tra il nucleo e gli elettroni è talmente grande che
si dovrebbe dire che l’atomo è principalmente vuoto. Ma la massa dell’atomo esiste ed è misurabile;
essa è dovuta, quasi esclusivamente, al nucleo che contiene protoni e neutroni: dov’è sta il problema
quindi?
Per sapere come sono fatti i protoni i ricercatori hanno fatto collidere queste particelle subatomiche
con altre particelle che viaggiano in direzione opposta a velocità prossima a quella della luce.
Questo avviene mediante acceleratori di particelle sempre più potenti: al CERN di Ginevra il
“Large Hadron Collider”(LHC) è lungo 27 chilometri.
Gli impatti tra le particelle subatomiche, ad altissima velocità, vengono fotografati con
apparecchiature gigantesche in grado di fermare immagini che si esauriscono in milionesimi di
secondo; ecco che, dopo attente analisi di questi esperimenti, si è trovato che il protone è costituito
di particelle dette quark che contribuiscono a formare la massa del protone, ma non solo non
possono essere osservati singolarmente, ma a ben guardare, i quark non hanno dimensione e non
hanno massa; sicuramente rappresentano una piccola esplosione di energia.
La collisione mette in evidenza una miriade di particelle di volta in volta con caratteristiche di
massa ed energia, diverse tra loro, che rispondono alla meccanica quantistica: principio di
indeterminazione, grandezza di Planck, dipendenza dall’interferenza dell’azione delle particelle
proiettate contro, etc etc.
Sono state battezzate negli anni particelle nuove come mesoni, gluoni, pioni, neutrini, adroni,
bosoni e così via.
Questa popolazione di particelle, sempre diverse e sfuggenti ad ogni classificazione, ha turbato i
sonni di molti ricercatori e scienziati, finché un ricercatore, il fisico teorico scozzese P.W. Higgs,
ha avanzato una possibile spiegazione alla continua manifestazione di nuove particelle subatomiche.
Higgs ha proposto che tutto lo spazio-tempo sia permeato da un campo, il campo di Higgs. Quando
le particelle, originariamente prive di massa, si muovono nello spazio-tempo si muovono anche nel
campo di Higgs e, interagendo con esso, acquisiscono una massa. Più è grande l’interazione delle
particelle con il campo e più la massa acquisita è grande. Questa interazione può essere considerata
simile all'azione di forze viscose che agiscono su particelle che si muovono in un liquido denso. Più
è grande l'interazione con il liquido e maggiore sembra essere la loro massa, dato che la massa può
essere vista anche come la resistenza alle variazioni di moto. Immerse nel campo di Higgs, le
particelle acquisirebbero la massa in relazione alla propria capacità e alle proprietà del campo. Se
questa teoria fosse giusta dovrebbe esistere, secondo calcoli eseguiti dallo stesso scienziato, una
particella prodotta dal campo, ancora non rilevata e battezzata bosone di Higgs. Molti ricercatori si
sono gettati nella mischia e hanno orientato gli esperimenti e gli strumenti ad alta tecnologia come
gli acceleratori di particelle per trovare il famigerato bosone di Higgs.
Il bosone è stato infine trovato (2012) e spiegata la interazione tra massa e campo di Higgs (vedi per
es.: Oltre la particella di Dio di Leon Lederman e Christopher Hill), dove, al termine di un lungo
percorso che parte dal muone, dalle interazioni deboli, dallo scambio di carica tra particelle e campo
di Higgs, si proclama: “il problema di dare massa alle particelle elementari è risolta”
Quindi è vero la materia può produrre energia ma l’energia può trasformarsi in materia!
