INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Gli esperimenti condotti nei Laboratori Nazionali di Frascati riguardano lo studio della struttura della materia, la fisica nucleare e sub-nucleare, l’astrofisica e la cosmologia. Come in tutti i campi della fisica, anche in questi campi le attività di ricerca sperimentali e le ricerche teoriche procedono di pari passo, complementandosi e concorrendo a stabilire congiuntamente un insieme di nuove conoscenze. Risultati sperimentali, a volte inaspettati e sorprendenti, richiedono di essere compresi nel quadro di teorie consistenti, predittive, ed il più possibile complete. A loro volta, queste teorie permettono di predire nuovi fenomeni, i quali devono essere sottoposti al vaglio di verifiche sperimentali per verificare l’effettiva validità delle particolari teorie da cui conseguono.
Con l’avanzamento delle conoscenze ed i sempre maggiori livelli di complessità raggiunti dalle teorie fisiche, queste verifiche richiedono sfide sempre più complesse, e non è raro che intervalli di vari decenni intercorrano fra la formulazione di predizioni teoriche e le verifiche sperimentali corrispondenti. Un recente esempio è la scoperta del bosone di Higgs, la cui esistenza venne inizialmente postulata intorno al 1964, e la cui effettiva scoperta ha dovuto attendere quasi 50 anni, fino all’annuncio congiunto avvenuto il 14 Luglio 2012, che ha confermato la scoperta da parte delle due collaborazioni sperimentali ATLAS e CMS del CERN di Ginevra di una nuova particella con una massa di circa 125 volte la massa del protone, e con caratteristiche compatibili (entro gli errori sperimentali) con quelle predette dalla teoria per il bosone di Higgs.
Un esempio ancora più recente riguarda la rivelazione di onde gravitazionali, la cui esistenza era stata predetta nel 1916 da Albert Einstein come inevitabile conseguenza della sua teoria della Relatività Generale. Il 14 settembre 2015 alle 09:50:45 (Universal Time), i due rivelatori dell’Osservatorio di Onde Gravitazionali ad Interferometria Laser (LIGO) negli Stati Uniti hanno simultaneamente osservato un segnale di onde gravitazionali originato dalla fusione di due buchi neri, di massa stimata intorno a 36 e 29 volte la massa del sole, avvenuta a 1.3 miliardi di anni luce di distanza da noi. Dopo attente verifiche e rigorose analisi statistiche, la scoperta é stata ufficialmente annunciata dalle collaborazioni LIGO e VIRGO, l’11 febbraio 2016, esattamente un secolo dopo la predizione teorica.
Una delle principali attività di ricerca svolta dal Gruppo Teorico dei Laboratori Nazionali di Frascati riguarda lo studio di possibili estensioni e generalizzazioni dell’attuale modello teorico delle interazioni fondamentali, il cosidetto `Modello Standard’ delle particelle elementari.
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Nel Modello Standard i costituenti elementari della materia sono due specie di particelle, chiamate quarks e leptoni. Queste interagiscono fra loro attraverso lo scambio di altre particelle, i cosiddetti mediatori delle forze, corrispondenti alle quattro forze fondamentali della natura: la forza elettromagnetica, mediata dallo scambio di fotoni, la forza nucleare forte, i cui mediatori sono chiamati gluoni, la forza nucleare debole, mediata dallo scambio dei bosoni Z e W, ed infine la forza di gravità, che può essere descritta tramite lo scambio di particelle chiamate gravitoni. Ciascuna di queste forze è basata su un principio di simmetria, che determina in modo univoco tutte le proprietà dei corrispondenti mediatori.
I quark ed i leptoni sono raggruppati in 3 famiglie, ciascuna composta da due tipi diversi di quark (quark di tipo up e quark di tipo down) e due tipi di leptoni (leptone carico e leptone neutro, o neutrino), per un totale di 12 costituenti elementari. La materia ordinaria consiste essenzialmente di particelle della prima famiglia [vedi figura]. I protoni ed i neutroni, che costituiscono i nuclei atomici, sono composti dai quark up e down della prima famiglia. Gli atomi sono a loro volta costituiti dai nuclei atomici e da un sufficiente numero di elettroni (i leptoni carichi della prima famiglia) da rendere (in condizioni normali) gli atomi elettricamente neutri. Infine, i neutrini elettronici (i leptoni neutri della prima famiglia) vengono prodotti in grande quantità nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono all’interno delle stelle. Secondo il Modello Standard, le particelle della seconda e della terza famiglia hanno identiche proprietà dal punto di vista delle interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche, e differiscono da quelle della prima famiglia solo per la massa: per quanto riguarda le particelle dotate di carica elettrica (i quarks ed i leptoni carichi), quelle della terza famiglia hanno una massa maggiore di quelle della seconda famiglia, che a sua volta hanno una massa maggiore di quelle della prima famiglia. Per i neutrini invece non ci è ancora noto come siano ordinati i valori delle masse in relazione alla famiglia di appartenenza, e la possibilità di un ordinamento “invertito”, in cui i neutrini della terza famiglia sono i più leggeri, rimane tuttora aperta. Il valore maggiore della massa dei quark e dei leptoni carichi della seconda e terza famiglia ha una importante conseguenza: queste particelle sono instabili, e per effetto delle interazioni deboli decadono in tempi brevissimi in quark e leptoni della prima famiglia, e questo spiega perché la materia ordinaria, in quanto stabile, sia costituita solo da particelle della prima famiglia.
Il Modello Standard descrive con grande successo le interazioni dei costituenti elementari della materia in un ampio intervallo di energia: dai pochi electron-volt (eV) corrispondenti all’energia di legame degli elettroni negli atomi, fino ai circa 100 miliardi di electron-volt (100 GeV – giga electron-volt) corrispondenti alle masse dei bosoni mediatori Z e W (tramite la relazione di Einstein E=mc2). Tuttavia, il Modello Standard non riesce a spiegare alcuni dati sperimentali di validità inconfutabile, come l’esistenza della Materia Oscura, la massa non nulla dei neutrini, e per quale motivo nell’Universo la componente di materia domini su quella di antimateria. Questo, congiuntamente a considerazioni di autoconsistenza ed “eleganza” della teoria, inducono a ritenere che la formulazione di una teoria più fondamentale del Modella Standard, che possa rendere conto delle osservazioni sperimentali summenzionate come pure fornire una descrizione accurata dei fenomeni fondamentali anche ad energie più elevate di quelle finora esplorate, sia una svolta resasi ormai necessaria. In particolare, c’è una forte aspettativa che il Large Hadron Collider del CERN, costruito per studiare la fisica dei costituenti fondamentali ad una energia intorno ai 1000 miliardi di electron-volt (1 TeV – tera electron-volt), possa rivelare nuovi fenomeni che indichino quali direzioni prendere nella formulazione della nuova teoria.
Uno dei principali problemi del Modello Standard riguarda il meccanismo di generazione delle masse dei costituenti elementari. La simmetria che governa le interazioni deboli ed elettromagnetiche implica che i mediatori di tali forze, cosi come i quarks e leptoni, debbano avere massa nulla. Ciò è in chiaro contrasto con l’evidenza sperimentale che indica che solo il fotone ed i mediatori dell’interazione nucleare forte (i gluoni) abbiano effettivamente massa nulla, mentre i bosoni mediatori delle interazioni deboli W e Z abbiano masse rispettivamente di 80 e 90 volte la massa del protone. Nel Modello Standard tale problema è risolto descrivendo le masse dei costituenti elementari come il risultato di una nuova interazione: l’interazione con il campo di Higgs. Il campo di Higgs costituirebbe una sorta di “mezzo omogeneo”, diffuso in tutto lo spazio, muovendosi attraverso il quale le varie particelle acquistano massa. Questo meccanismo è tecnicamente consistente, e la sua fondatezza è stata chiaramente rafforzata dalla scoperta del bosone di Higgs. Ma allo stesso tempo il meccanismo pone una serie di problemi teorici, in quanto a differenza delle quattro forze fondamentali, l’interazione del campo di Higgs non è basata su un principio di simmetria, e per tale motivo è altamente instabile ad alte energie. Questa instabilità fa ritenere che ad alte energie (in particolare ad una scala dell’ordine del TeV) debbano apparire una serie di nuove particelle o nuove interazioni. Inoltre, non è affatto chiaro perché quarks e leptoni della seconda e terza famiglia abbiano una massa (ovvero un interazione con il campo di Higgs) molto maggiore di quelli della prima famiglia. Nel Modello Standard, la gerarchia delle masse dei costituenti fondamentali rimane un mistero irrisolto.
Fra le estensioni del Modello Standard proposte, che riescono a spiegare alcuni (ma generalmente non tutti) i problemi del Modello Standard, vi è la supersimmetria, una nuova simmetria che connette fra loro particelle con spin (ovvero momento angolare intrinseco) differente, e che prevede l’ esistenza di una moltitudine di nuove particelle con masse dell’ordine del TeV, come pure modelli più “esotici” che arrivano addirittura a prevede l’esistenza di altre dimensioni spazio-temporali.
Oltre allo studio di possibili estensioni del Modello Standard, gli interessi del Gruppo Teorico dei LNF spaziano nella vastità di interessi della fisica contemporanea: da modelli per interpretare la possibile natura della Materia Oscura e predirne alcune proprietà, a teorie che cercano di spiegare l’origine dell’asimmetria fra le componenti di materia e di antimateria nel nostro Universo. Dallo studio teorico della struttura microscopica dei materiali solidi, alla fisica delle nanotecnologie, dalle simulazioni al calcolatore della cromodinamica quantistica, cioè la moderna teoria delle interazioni nucleari forti, fino alla elaborazione di nuovi progetti di ricerca per il futuro dei laboratori. Una buona parte dell’attività teorica svolta presso i LNF riguarda la simulazione numerica di processi complessi, sia per la fisica nucleare che per la struttura della materia. Sebbene il Modello Standard sia un modello matematico basato su poche regole relativamente semplici, ed un ristretto numero di costituenti elementari, riuscire ad ottenere predizioni precise per processi macroscopici da tale modello costituisce un problema di una complessità inimmaginabile. Basti pensare ai nuclei atomici, alle molecole di sistemi organici, per arrivare alla struttura, alla dinamica ed all’evoluzione di differenti sistemi astrofisici (come i nuclei delle stelle, le supernove, le stelle a neutroni, i buchi neri). In tutti questi casi si tratta di stati legati composti da un numero estremamente grande di costituenti elementari, il cui comportamento macroscopico può essere dedotto dalle leggi elementari solo attraverso l’ utilizzo di approssimazioni controllate, congiuntamente all’implementazione di simulazioni numeriche di grande complessità su potenti computers di ultima generazione.