La Fisica delle particelle elementari

Anche la comprensione della terza interazione con cui ha a che vedere la fisica delle particelle elementari, l'interazione debole, ha compiuto progressi per analogia con la QED. Nel 1933, Enrico Fermi fornì la prima descrizione matematica dell'interazione debole, come si manifesta nella radioattività beta, per analogia diretta con la QED.

Successive ricerche hanno rivelato numerose importanti differenze tra le interazioni debole ed elettromagnetica. La forza debole agisce solo a distanze inferiori a 10^-16 centimetri (a differenza del lungo raggio di azione dell'elettromagnetismo), ed è intimamente correlata allo spin delle particelle interagenti. Solo le particelle con spin sinistrorso sono soggette a interazioni deboli in cui cambia la carica elettrica, come il decadimento beta di un neutrone, mentre non ne sono soggette quelle con spin destrorso.

Nonostante queste differenze i teorici hanno esteso l'analogia e hanno proposto che l'interazione debole, come l'elettromagnetismo, sia mediata da un portatore di forza, divenuto noto come bosone vettore intermedio e chiamato anche particella W (da weak, debole). Per mediare i decadimenti nei quali cambia la carica, il bosone W dovrebbe possedere una carica elettrica. Il raggio d'azione di una forza è inversamente proporzionale alla massa della particella che la trasmette; essendo il fotone privo di massa, l'interazione elettromagnetica ha pertanto un raggio di azione infinito. Il brevissimo raggio di azione della forza debole fa pensare a un bosone estremamente massiccio.

Molte connessioni evidenti tra elettromagnetismo e interazione debole, e tra esse il fatto che la particella mediatrice delle interazioni deboli è elettricamente carica, hanno incoraggiato alcuni ricercatori a proporre una sintesi. Un risultato immediato della proposta che le due interazioni siano soltanto manifestazioni diverse di un fenomeno fondamentale è stato la stima della massa del bosone W. L'unificazione proposta implicava che, a distanze molto brevi e quindi ad altissime energie, la forza debole fosse uguale a quella elettromagnetica. La sua evidente debolezza in esperimenti eseguiti a energie inferiori conferma semplicemente il suo breve raggio di azione. Quindi la differenza globale che si osserva nelle intensità delle due interazioni deve essere determinata dalla massa del bosone W. In base a questa ipotesi la massa del bosone W si può valutare attorno a un valore pari a circa 100 volte la massa del protone.

Il passaggio da una nozione di sintesi a una teoria valida in grado di unificare le interazioni debole ed elettromagnetica ha richiesto mezzo secolo di esperimenti e di indagini teoriche, culminati nella ricerca per la quale, nel 1979, venne assegnato il premio Nobel per la fisica a Sheldon Lee Glashow e a Steven Weinberg, allora alla Harvard University, e ad Abdus Salam dell'Imperial College of Science and Technology di Londra e del Centro Internazionale di fisica teorica di Trieste. Come la stessa QED, la teoria unificata, o elettrodebole, è una teoria di gauge ricavata da un principio di simmetria che si manifesta in tutti i raggruppamenti familiari di quark e leptoni.

Sheldon Lee Glashow. Nacque nel 1932,  dopo avere frequentato le scuole superiori nel Bronx (quartiere di New York), fece gli studi universitari all'Università Cornell e poi la scuola di specializzazione alla università Harvard. In seguito lavorò in parecchi tra i più importanti centri di ricerca della fisica delle alte energie: Copenhagen, CERN, Pasedena, Stanford e Berkeley, fino a che, nel 1966, tornò ad Harvard, dove è attualmente professore di fisica.

Nella teoria elettrodebole non uno, ma tre bosoni intermedi, insieme con il fotone, fungono da portatori di forza. Si tratta dei bosoni W⁺ , carico positivamente, e W^- , carico negativamente, che mediano rispettivamente lo scambio di carica positiva e di carica negativa nelle interazioni deboli, e della particella Z⁰ che media una categoria di interazioni deboli chiamate processi a corrente neutra. I processi a corrente neutra, come la diffusione elastica di un neutrino da parte di un protone, un'interazione debole nella quale non si ha alcuno scambio di carica, erano previsti dalla teoria elettrodebole e furono osservati per la prima volta al CERN nel 1973. Essi rappresentano un ulteriore punto di convergenza tra l'elettromagnetismo e l'interazione debole nel senso che le interazioni elettromagnetiche non modificano la carica delle particelle partecipanti.

Per spiegare il fatto che le interazioni elettromagnetica e debole, pur essendo intimamente correlate, si manifestano in modi differenti, la teoria elettrodebole sostiene che la simmetria che le accomuna sia evidente soltanto alle alte energie, mentre è nascosta a energie inferiori. Si può tracciare un'analogia con il comportamento magnetico del ferro. Quando il ferro è caldo, le sue molecole, che si possono considerare come un insieme di magneti infinitesimali, sono in un febbrile stato di agitazione termica e quindi orientate casualmente. Nell'insieme, il comportamento magnetico del ferro è lo stesso in tutte le direzioni, evidenziando la simmetria rotazionale delle leggi dell'elettromagnetismo. Tuttavia, quando il ferro si raffredda al di sotto di una temperatura critica, le sue molecole si allineano in una direzione arbitraria, lasciando magnetizzato il metallo lungo un solo asse. La simmetria delle leggi fondamentali è ora nascosta.

L'artefice principale della rottura della simmetria che unifica l'elettromagnetismo e l'interazione debole alle alte energie è un'ipotetica particella, il bosone di Higgs. La massa dei bosoni intermedi che nasconde la simmetria viene prodotta attraverso interazioni con il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs è anche ritenuto responsabile del fatto che quark e leptoni all'interno della stessa famiglia abbiano masse differenti. A energie molto elevate si ritiene che tutti i quark e i leptoni siano privi di massa, mentre a energie inferiori le interazioni con la particella di Higgs conferiscono ai quark e ai leptoni le loro masse variabili. Dato che il bosone di Higgs è sfuggente e può essere molto più pesante degli stessi bosoni intermedi, per produrlo saranno probabilmente necessarie energie sperimentali molto più elevate di quelle degli attuali acceleratori.

I tre bosoni intermedi richiesti dalla teoria elettrodebole sono però stati osservati. Energie sufficientemente elevate per produrre tali particelle massicce si ottengono soprattutto in collisioni frontali di protoni e di antiprotoni. In una su  circa cinque milioni di collisioni, un quark del protone e un antiquark dell'antiprotone si fondono assieme formando un bosone intermedio. Il bosone si disintegra in meno di 10^-24 secondi dopo la sua formazione. La sua breve esistenza può essere tuttavia rivelata dai prodotti di decadimento.

Nel trionfo dell'arte degli acceleratori, della tecnologia sperimentale e delle argomentazioni teoriche, gruppi internazionali del CERN, guidati da Carlo Rubbia di Harvard e da Pierre Darriulat, hanno progettato esperimenti che nel 1983 hanno rivelato i bosoni W e la particella Z⁰.

Carlo Rubbia

Un elaborato rivelatore ha identificato e registrato, tra i frammenti di violente collisioni protone-antiprotone, singoli elettroni le cui traiettorie coincidevano con quelle previste per il decadimento di una particella W^- ; il rivelatore ha inoltre registrato elettroni e positroni viaggianti in versi esattamente opposti, prova inequivocabile a favore della particella Z⁰ . Per il loro contributo agli esperimenti, al progetto e alla costruzione del collisore protone-antiprotone e del rivelatore, Rubbia e Simon van der Meer, anch'egli del CERN, hanno ricevuto nel 1984 il premio Nobel per la fisica.

Una ricostruzione fatta dal computer CDF di un bosone Z0 che decade in un elettrone e un positrone in direzioni opposte. L'elettrone e il positrone sono le scie gialle (quasi rettilinee, per via dell'elevata quantità di moto) che portano ai rettangoli bianchi, i quali indicano un rilascio di alta energia nel calorimetro elettromagnetico. La somma dell'energia dell'elettrone e del positrone corrisponde alla massa della particella Z0. Le altre scie a energia più bassa sono state lasciate dagli <spettatori> dell'evento principale.

    I Bosoni intermedi e l'unificazione delle forze