I fisici a caccia delle origini dell’Universo

Dove va la scienza? / 1

di Luigi Dell'Aglio

Scienza amata o temuta, ma spesso ancora poco conosciuta. Esplora il mondo e lo cambia. Svela molti segreti dell’universo e della vita, pone le basi per rivoluzioni tecnologiche che segnano le nostre esistenze. E suscita anche interrogativi e perplessità quando si arroga il diritto di dire l’ultima parola su tutto ciò che riguarda l’uomo. Ma la ricerca animata dal desiderio di conoscere e di giovare è di gran lunga predominante. E merita di essere osservata da vicino. Soprattutto nelle sue declinazioni di frontiera, quegli ambiti non sempre sotto i riflettori che impegnano le menti più brillanti e gli ingegni più acuti. «Avvenire» compie una piccola (e necessariamente incompleta) rassegna di quattro discipline: fisica, astronomia, informatica e medicina. In una pagina di giornale si possono dare solo accenni rispetto a temi vastissimi, e spesso complessi. Vogliamo comunque fornire qualche informazione chiara e puntuale, incuriosire, suscitare ulteriori letture. Perché la scienza è un’assidua compagna dell’uomo contemporaneo.
La fisica (disciplina in cui l’Italia è all’avanguardia) è sempre più attratta dall’origine dell’Universo. Una sfida avvincente e impegnativa. La scienza vuole ricostruire le condizioni del Big Bang, gettare luce sulla materia oscura, l’energia oscura e l’antimateria. E svelare il futuro dell’Universo. È il traguardo per i prossimi decenni; parte una serie di ricerche da condurre soprattutto nella fantastica macchina realizzata al Cern (Centro europeo per la ricerca nucleare) di Ginevra. Il Large Hadron Collider, il più grande e moderno acceleratore di particelle, un gigantesco tunnel a forma di anello, lungo 27 chilometri, scavato a circa 100 metri di profondità (che però ha avuto un problema all’avvio e ora in fase di riparazione).

Dalla metà del secolo scorso, le collisioni avvenute negli acceleratori hanno permesso di guardare sempre più in profondità nell’atomo; grazie a macchine di crescente potenza, aumentava la velocità degli scontri fra particelle subatomiche, e la fisica scopriva particelle nuove e sempre più piccole. Ora l’obiettivo numero uno è scovare il Bosone di Higgs, giornalisticamente definito la "particella di Dio" dal Nobel Leon Lederman. Nella teoria del modello standard della fisica delle particelle, il Bosone di Higgs rappresenta l’elemento costituente che non è stato ancora osservato. Secondo la teoria, che rappresenta il principale successo degli ultimi decenni – dice il fisico Nicola Cabibbo – l’atomo è composto da elettroni e da un nucleo (formato da protoni e neutroni, a loro volta costituiti da quark). Aggiungendo i neutrini, è possibile interpretare il comportamento di tutte le particelle elementari.
Si allestiscono perciò esperimenti sempre più sofisticati. Al Cern (appena possibile) si faranno scontrare fra loro due nuclei di uranio, creando una zona di altissima pressione e temperatura. È lo stato in cui si trovava l’Universo qualche milionesimo di secondo dopo il Big Bang. Invece di atomi, nuclei, elettroni e neutroni, soltanto plasma di quark. Temperatura e pressione erano talmente elevate che l’Universo doveva trovarsi in uno stato di estrema concentrazione. A capire questa condizione può aiutarci la ricerca proposta, per la prima volta, da Nicola Cabibbo e Giorgio Parisi nel 1975. Immaginiamo un gas composto da protoni e neutroni, portato a temperature elevatissime. Avrebbe luogo una specie di fusione dei protoni e dei neutroni: passerebbero a uno stato nuovo, come se si trasformassero da gas in liquidi.

Ma la fisica è chiamata a svelare anche un altro mistero. La materia oscura, che costituisce circa il 25% della materia dell’Universo, nel quale quella ordinaria, visibile, rappresenta soltanto il 5%, mentre anche il restante 70% risulta tuttora sconosciuto: è l’energia oscura. Gli studi sulla formazione delle galassie portano a ritenere che la materia oscura esista realmente. Una delle grandi speranze dei fisici è che si arrivi a produrre le particelle che la compongono e così a studiarle direttamente. Verrebbero prodotte con collisioni tra protoni di altissima energia. A ipotizzare l’energia oscura si è giunti studiando le galassie più antiche, le più lontane da noi. Esse testimoniano che l’universo si espande con un processo accelerato.

Nel passato l’idea non era stata accettata: si pensava che l’Universo – in seguito all’attrazione gravitazionale – stesse anzi rallentando la sua espansione. Dallo studio sperimentale delle supernovae è emerso invece il contrario (anche Einstein aveva ammesso la possibilità che l’universo acceleri la sua espansione, poi aveva scartato l’ipotesi). Ma da che cosa è alimentata questa espansione progressiva? Dall’energia oscura, spiega Cabibbo.

Ecco un altro mistero che affascina la fisica e riesce a coinvolgere il grande pubblico. Le ricerche investono anche campi che sembravano ben conosciuti, come quello della gravità newtoniana. Se Isaac Newton ha formulato la legge della gravitazione universale, Albert Einstein ha fatto un passo essenziale, nel 1915, mostrando che la gravitazione deriva da una distorsione dello spazio, che non va considerato piatto: può essere incurvato dalla presenza di masse, per esempio il Sole (che attrae la Terra).

Questa teoria è stata verificata in moltissimi modi, ma un punto è ancora irrisolto: come mettere d’accordo la teoria di Einstein e la meccanica quantistica? La risposta può offrirla la teoria delle stringhe. L’intima struttura della materia sarebbe costituita non da punti ma da minuscole "corde" oscillanti. «La teoria dà risultati incoraggianti, ma siamo ancora ben lontani dalla certezza che sia una soluzione fondata», nota Cabibbo.
A parlare di antimateria c’è il rischio di evocare suggestioni fantascientifiche. L’antimateria può essere prodotta in laboratorio. Però appena un antiprotone incontra un protone, entrambi si distruggono a vicenda. L’antimateria resiste soltanto nel vuoto degli acceleratori di particelle. Nell’Universo, non ce n’è traccia. E allora? È l’uomo a farla comparire? «No – spiega Cabibbo –, l’antimateria è stata creata al momento del Big Bang. Si pensa che nelle prime fasi dell’Universo ci fosse quasi la stessa quantità di materia e di antimateria, però con una piccola prevalenza di materia. Poi materia e antimateria si sono annientate in un lampo di energia, è rimasa tuttavia una quantità di materia che ha dato luogo ai corpi celesti, alla Terra e a noi».
Così la materia è riuscita a sopravvivere. Una delle ipotesi che si affacciano è che il provvidenziale eccesso di materia sia dovuto ai neutrini, particelle sfuggenti ma essenziali che oggi vengono studiate con eccezionale competenza tra il Cern e i Laboratori del Gran Sasso.

"Avvenire" dell'11 agosto 2009