Come esploriamo domande senza risposta in fisica

James Beacham è alla ricerca di risposte alle domande aperte più importanti della fisica usando il più grande esperimento scientifico mai costruito, il Large Hadron Collider (Grande Collisore di Adroni) del CERN. In questo intervento divertente e alla portata di tutti su come si realizza la scienza, Beacham ci porta in un viaggio tra dimensioni extra-spaziali alla ricerca di particelle fondamentali non ancora scoperte (e in una spiegazione dei misteri della gravità) e fornisce le ragioni per continuare a esplorare.

C'è qualcosa nella fisica

che mi ha sempre disturbato
sin da quando ero bambino.

E ha a che fare con una domanda

che gli scienziati si sono posti
per quasi 100 anni

senza trovare risposta.

Come si combinano
le più piccole cose al mondo

le particelle del mondo quantistico

con le cose più grandi in natura,

pianeti, stelle e galassie,
tenute insieme dalla gravità?

Da bambino, riflettevo
su domande come queste.

Mi dilettavo con microscopi
ed elettromagneti

e leggevo delle forze
del mondo microscopico

e della meccanica quantistica

e mi meravigliavo di come
la descrizione corrispondesse così bene

all'osservazione.

Poi guardavo le stelle,

e leggevo di come capiamo
bene la gravità

e pensavo che di sicuro
ci fosse un modo elegante

in cui questi due sistemi si legano.

Ma non c'è.

E i libri dicevano,

sì, capiamo molto di questi due regni
separatamente

ma quando proviamo a collegarli
matematicamente,

tutto crolla.

E per 100 anni,

nessuna delle nostre soluzioni
a questa specie di disastro fisico

è stata supportata da prove.

E per il piccolo me,

il piccolo, curioso, scettico James,

questa era una risposta
sorprendentemente insoddisfacente.

Sono ancora un bambino scettico.

Ora andiamo avanti nel tempo
fino a dicembre 2015,

quando mi sono trovato nel bel mezzo

del capovolgimento
del mondo della fisica.

Tutto ebbe inizio quando al CERN vedemmo
qualcosa di intrigante nei nostri dati:

la traccia di una nuova particella,

l'accenno di una potenziale risposta
straordinaria a questa domanda.

Quindi ora, penso, sono ancora
un bambino scettico

ma sono anche un cacciatore di particelle.

Sono uno dei fisici che lavorano
al Large Hadron Collider del CERN,

il più ampio esperimento
mai organizzato.

È un tunnel di 27 chilometri
sul confine tra Francia e Svizzera

sepolto 100 metri sottoterra.

E in questo tunnel,

usiamo magneti superconduttori
più freddi dello spazio esterno

per accelerare i protoni
quasi alla velocità della luce

e lanciarli l'uno addosso all'altro
milioni di volte al secondo,

raccogliendo i detriti
di queste collisioni

alla ricerca di particelle fondamentali
nuove, non ancora scoperte.

Per disegnarlo e costruirlo
ci sono voluti decenni di lavoro

di migliaia di fisici
da tutto il mondo

e nell'estate del 2015

abbiamo lavorato senza sosta
per accendere l'LHC

al livello di energia più alto che sia
mai stato usato in un esperimento.

L'elevato livello di energia è importante

perché per le particelle
c'è un'equivalenza

tra l'energia e la massa delle particelle

e la massa non è che un numero
deciso dalla natura.

Per scoprire nuove particelle

abbiamo bisogno di raggiungere
questi numeri più grandi.

Per farlo, dobbiamo costruire un collisore
più grande, con più energia

e il più grande e dotato
di maggiore energia al mondo

è il Large Hadron Collider.

Quindi, facciamo collidere i protoni
un milione di miliardi di volte,

e raccogliamo questi dati
molto lentamente, per mesi e mesi.

E le nuove particelle potrebbero emergere
dai nostri dati in forma di piccole gobbe,

leggere deviazioni
rispetto a ciò che ci aspettiamo,

piccoli raggruppamenti di dati
che rendono una linea non regolare.

Per esempio, questa gobba,

dopo mesi di raccolta dati nel 2012,

ha portato alla scoperta
della particella di Higgs,

il bosone di Higgs,

e al premio Nobel per avere
confermato la sua esistenza.

Questo rilascio di energia nel 2015

rappresentava la migliore chance
che l'uomo avesse mai avuto

di scoprire nuove particelle,

nuove risposte a quelle antiche domande,

perché era circa il doppio di energia
rispetto a quella usata

per la scoperta del bosone di Higgs.

Molti dei miei colleghi hanno dedicato
le loro intere carriere a questo momento

e, francamente, per il piccolo curioso me,

questo era il momento
che aspettavo da una vita intera.

Quindi, il 2015 era il momento.

Nel giugno del 2015,

L'LHC fu riacceso.

Io e i miei colleghi trattenemmo
il fiato e ci mordemmo le unghie

e finalmente vedemmo
la prima collisione di protoni

al più alto livello di energia
di sempre.

Applausi, champagne, festa.

Questa era una pietra miliare
per la scienza,

e non avevamo idea di cosa avremmo
trovato in questi nuovi dati.

E poi, qualche settimana dopo,
trovammo una gobba.

Non era una gobba molto alta,

ma era abbastanza grande da farci
inarcare le sopracciglia.

Ma in una scala da 1 a 10
di sollevamento sopracciglia,

in cui 10 significa la scoperta
di una nuova particella,

questo sollevamento fu circa di 4.

(Risate)

Ho passato ore, giorni, settimane,
in riunioni segrete,

discutendo con i miei colleghi
di questa piccola gobba,

stuzzicandola con i nostri più spietati
pungoli sperimentali

per capire se reggesse
a un'analisi più approfondita.

Ma anche dopo mesi
di lavoro febbrile,

dormendo nei nostri uffici
senza neanche andare a casa,

merendine per cena,

secchi di caffè -

i fisici sono macchine per trasformare
il caffè in diagrammi...

(Risate)

Questa piccola gobbetta
non se ne andava.

Quindi dopo qualche mese,

abbiamo presentato la nostra gobbetta
al mondo, con un messaggio molto chiaro:

questa piccola curva è interessante
ma non è definitiva,

quindi teniamola d'occhio
mentre raccogliamo più dati.

Cercavamo di prenderla
con molta cautela.

Ma il mondo ha voluto correre.

I notiziari l'hanno amata.

La gente diceva che ricordava
quella piccola gobba

che era stata trovata sulla via
per la scoperta del bosone di Higgs.

Ancora meglio,
i miei colleghi teorici -

amo i miei colleghi teorici...

i miei colleghi teorici ci hanno scritto
500 articoli su questa piccola gobba.

(Risate)

Il mondo della fisica delle particelle
era andato a gambe all'aria.

Ma cosa c'era in questa piccola gobba

che ha spinto migliaia di fisici
a diventare euforici?

Questa piccola gobba era unica.

Questa piccola curva indicava

che stavamo assistendo a un numero
inaspettatamente ampio di collisioni

i cui detriti consistevano
in solo due fotoni,

due particelle di luce.

E questo è raro.

Le collisioni tra particelle non sono
come le collisioni tra automobili.

Hanno regole diverse.

Quando due particelle collidono
quasi alla velocità della luce

entra in gioco il mondo
dei quanti.

E nel mondo dei quanti,

queste due particelle possono
creare per poco una nuova particella

che prende vita per una piccola
frazione di secondo

prima di dividersi in altre particelle
che colpiscono i nostri sensori.

Immaginate un incidente tra auto in cui
le due auto scompaiono dopo l'impatto

e al loro posto compare una bici...

(Risate)

E poi la bici esplode in due skateboard,

che colpiscono il nostro sensore.

(Risate)

Si spera, non letteralmente.

Sono molto costosi.

Eventi in cui due soli fotoni
colpiscono il sensore sono rari.

E a causa delle speciali proprietà
quantiche dei fotoni,

c'è un numero davvero piccolo
di nuove possibili particelle

queste mitiche biciclette

che possono dar vita a due soli fotoni.

Ma una di queste opzioni è enorme,

e ha a che vedere
con quella vecchia domanda

che non mi dava pace da bambino,

riguardo la gravità.

La gravità può sembrarvi molto forte,

ma in realtà è incredibilmente debole
paragonata ad altre forze della natura.

Posso brevemente contrastare la gravità
quando salto,

ma non posso rimuovere
un protone dalla mia mano.

La forza della gravità paragonata
alle altre forze della natura?

È di 10 alla meno 39.

È un decimale con 39 zeri.

Peggio ancora,

tutte le altre forze della natura
sono perfettamente descritte

in quello che chiamiamo
il Modello Standard,

che è attualmente la nostra migliore
spiegazione della natura su piccola scala

e francamente,

una delle maggiori conquiste dell'umanità,

eccetto la gravità,
che è assente dal Modello Standard.

È una follia.

È quasi come se la maggior parte
della gravità fosse andata perduta.

Ne avvertiamo un po',

ma dov'è il resto di essa?

Nessuno lo sa.

Ma una spiegazione teorica
propone una soluzione pazzesca.

Io e voi,

sì anche voi lì in fondo,

viviamo in tre dimensioni di spazio.

Credo che siamo tutti d'accordo.

(Risate)

Anche le particelle note vivono
in tre dimensioni dello spazio.

Infatti, particella è solo un altro nome

per indicare un'eccitazione
in un campo tridimensionale;

un tremolio localizzato nello spazio.

Ancora più importante, tutta la matematica
che usiamo per descrivere queste cose

assume che esistano solo
tre dimensioni di spazio.

Ma la matematica è matematica,
e ci possiamo giocare quanto vogliamo.

Abbiamo giocato con dimensioni
extra di spazio

per un lungo periodo di tempo,

ma è sempre stato
un concetto matematico astratto.

Dico, guardatevi intorno --
voi la dietro, guardatevi in giro...

chiaramente ci sono solo
tre dimensioni di spazio.

E se non fosse vero?

E se la gravità mancante stesse trapelando
in una dimensione extra-spaziale

invisibile per me e per voi?

E se la gravità fosse forte
tanto quanto le altre forze

se si potesse vedere
in questa dimensione extra-spaziale

e ciò che esperiamo noi
fosse solo una piccola fetta di gravità

che la fa sembrare debole?

Se questo fosse vero,

dovremmo espandere il nostro
Modello Standard delle particelle

per includere una extra-particella,
una particella iperdimensionale di gravità

un gravitone speciale che vive
in dimensioni extra-spaziali.

Vedo la sguardo
sulle vostre facce.

Dovreste pormi la domanda:

"Come diavolo potremmo testare
questa folle, fantascientifica idea,

bloccati come siamo nelle tre dimensioni?"

Nel modo in cui facciamo sempre,

sbattendo insieme due protoni...

(Risate)

così forte che la loro collisione
riverberi

in una dimensione extra-spaziale
che potrebbe essere lì,

creando momentaneamente
questo gravitone iperdimensionale

che poi si spezza nelle tre dimensioni
dell'LHC

e sputa fuori due fotoni,

due particelle di luce.

E questo ipotetico
gravitone extra-dimensionale

è una delle possibili,
ipotetiche nuove particelle

a possedere le speciali
proprietà quantistiche

che potrebbero dar vita alla nostra
piccola gobba di due fotoni.

Quindi, la possibilità di spiegare
i misteri della gravità

e di scoprire ulteriori
dimensioni di spazio...

Forse ora avete un'idea

del perché migliaia di nerd della fisica
hanno collettivamente perso la calma

per la nostra
piccola gobba di due fotoni.

Una scoperta di questo tipo
riscriverebbe i libri di testo.

Ma ricordate,

il messaggio di noi sperimentatori

che realmente stavamo facendo
questo lavoro allora,

era molto chiaro:

abbiamo bisogno di più dati.

Con più dati,

quella piccola gobba potrebbe trasformarsi
in un bel Premio Nobel croccante...

(Risate)

Oppure i dati in più potrebbero riempire
lo spazio intorno alla gobba

e trasformarla
in una bella linea regolare.

Quindi raccogliemmo più dati

e con una mole cinque volte superiore
di dati, svariati mesi dopo,

la nostra piccola gobba

si trasformò in una linea dritta.

I notiziari riportarono di
"un'enorme delusione", "speranze svanite"

e di "tristi" fisici delle particelle.

Dal tono di quella copertura mediatica

potreste pensare che avessimo deciso
di spegnere l'LHC e andare a casa.

(Risate)

Ma non è quello che abbiamo fatto.

Ma perché no?

Cioè, se non ho scoperto
una particella (e non l'ho scoperta)

se non ho scoperto una particella,
perché sono qui che vi parlo?

Perché non ho abbassato
lo sguardo per la vergogna

e non sono tornato a casa?

I fisici delle particelle
sono degli esploratori.

E buona parte di ciò che facciamo
è cartografia.

Diciamo così: dimenticatevi
dell'LHC per un secondo.

Immaginate di essere un astronauta
che arriva su un pianeta lontano

in cerca di alieni.

Qual è il vostro primo compito?

Entrare nell'orbita del pianeta,
atterrare, dare un'occhiata

in cerca di grandi, ovvi segni di vita,

e riferire alla base.

Questa è la fase
in cui ci troviamo ora.

Abbiamo dato una prima occhiata
all'LHC

alla ricerca di nuove, grandi,
evidenti particelle,

e possiamo riferire che non ce ne sono.

Abbiamo visto una strana gobba aliena
su una montagna distante,

ma, avvicinandoci, abbiamo visto
che era una roccia.

Ma a quel punto cosa facciamo?
Ci arrendiamo e voliamo via?

Assolutamente no;

saremmo scienziati terribili
se facessimo così.

No, passeremo i prossimi 20 anni
esplorando,

mappando il territorio,

scandagliando la sabbia
con uno strumento di precisione,

sbirciando sotto ogni roccia,

trapanando sotto la superficie.

Nuove particelle potrebbero
mostrarsi immediatamente

come gobbe grandi ed evidenti,

oppure potrebbero rivelarsi
dopo anni di raccolta dati.

L'umanità ha appena cominciato a esplorare
con l'LHC e questa enorme energia,

e abbiamo molte ricerche da fare.

E se, dopo 10 o 20 anni, non avessimo
ancora trovato nuove particelle?

Costruiremo una macchina più grande.

(Risate)

Cercheremo a un'energia maggiore.

Cercheremo a un'energia maggiore.

È già in programma un tunnel
di 100 chilometri

che farà collidere le particelle
a un'energia 10 volte superiore dell'LHC.

Non siamo noi a decidere dove la natura
piazza le nuove particelle.

Possiamo solo decidere
di continuare a esplorare.

E se, anche dopo un tunnel
di 100 chilometri,

o 500 chilometri,

o un collisore di 10 000 chilometri
che fluttua nello spazio

tra la Terra e la Luna,

non trovassimo ancora segno
di nuove particelle?

Forse stiamo sbagliando qualcosa
nella fisica delle particelle.

(Risate)

Forse dobbiamo
ripensare tutto.

Forse necessitiamo di più risorse,
tecnologia, expertise

di ciò che abbiamo attualmente.

Usiamo già l'intelligenza artificiale
e tecniche di machine learning

in parte dell'LHC,

ma immaginate di elaborare
un esperimento di fisica delle particelle

usando algoritmi così sofisticati

che impari da solo come scoprire
un gravitone iperdimensionale.

Ma se...?

L'ultimo se:

E se neanche l'intelligenza artificiale
potesse aiutarci con i nostri quesiti?

E se queste domande aperte
da secoli

fossero destinate a non ricevere risposta
nel prossimo futuro?

E se ciò che mi ossessiona
fin da bambino

non ricevesse risposta
in tutta la mia vita?

Beh questo...

Sarebbe ancora più affascinante.

Saremmo costretti a pensare
in modi completamente diversi.

Dovremmo ridiscutere
le nostre premesse,

e determinare se ci sia stato
un errore da qualche parte.

E dovremmo incoraggiare più persone
a unirsi a noi nello studio della scienza

perché serve un nuovo punto di vista
su questi problemi vecchi di cent'anni.

Non ho risposte,
e le sto ancora cercando.

Ma qualcuno, magari qualcuno
che è a scuola adesso,

magari non è neanche ancora nato,

alla fine potrebbe guidarci a vedere
la fisica in un modo completamente diverso

e a far notare che forse ci stiamo solo
ponendo le domande sbagliate.

Che non sarebbe la fine della fisica,

ma un nuovo inizio.

Grazie.

(Applausi)