COPERTINA BAUMAN DEFINITIVO
  • Cultura
  • mercoledì 23 luglio 2014

La fisica delle particelle spiegata a una Pulce

Che è il modo con cui Marco Delmastro chiama sua figlia di cinque anni, nel suo libro sul Bosone di Higgs e i bicchieri d'acqua

COPERTINA BAUMAN DEFINITIVO

È uscito per Laterza il libro Particelle familiari. Le avventure della fisica e del bosone di Higgs, con Pulce al seguito di Marco Delmastro, fisico delle particelle al CERN di Ginevra, dove lavora all’esperimento ATLAS, e autore dell’ottimo blog scientifico Borborigmi di un fisico renitente. Delmastro prova a spiegare un argomento considerato solo per addetti ai lavori, la fisica delle particelle, attraverso i dialoghi con familiari (la moglie e la figlia di cinque anni, ribattezzate la Signora delle Lettere e la Pulce) e amici (l’Ingegnere e la Zia Omeopatica) ai quali vuole far capire con un linguaggio comprensibile a tutti in cosa consiste il suo lavoro e la sua ricerca.

***

Persi in un bicchiere d’acqua

Nel bel mezzo del soggiorno, la Pulce sta giocando con i mattoncini delle costruzioni. Da qualche tempo ha abbandonato la versione per neonati con cui si è intrattenuta nei primi anni della sua vita, quella coi pezzi grossi e possibilità limitate, ed è orgogliosamente passata alla versione classica, che lei chiama «i mattoncini dei grandi». Da un giorno all’altro, la varietà dei pezzi è cresciuta a dismisura, e le possibilità si sono moltiplicate. Alcuni mattoncini sono ancora un po’ piccoli per le sue dita, ma sono molti gli adulti – io in prima fila! – che non perdono occasione per contribuire a costruire il castello o l’astronave di turno.
La Pulce interrompe un momento la costruzione della torre (ultimamente i suoi progetti sono sempre torri, che ospitano principesse in difficoltà in attesa di principi galanti) per andare a bere un bicchiere d’acqua. Lo trangugia in un fiato, ed esita un istante, con il bicchiere vuoto in mano, prima di ripartire di corsa verso il suo cantiere: «Papà – mi dice guardandomi intensamente –, l’altro giorno dicevi che potevamo tagliuzzare tutte le cose fino a scoprire i mattoncini minuscoli che le compongono. Io mi ricordo, sai? C’erano dei mattoncini che si chiamavano come il verso delle papere. Con quali mattoncini facciamo l’acqua?».
Mi accoccolo su un tappeto vicino alle fondamenta della torre, e prendo due mattoncini quadrati di colore blu, e uno uguale di colore verde. Qualche giorno fa, tagliuzzando un foglio di carta, avevo accennato alla Pulce che tutte le cose sono composte da mattoncini che chiamiamo quark, che, per quanto ne sappiamo oggi, sembrano essere i componenti fondamentali della materia. Contando sulla sua memoria formidabile, mentre incastro i due pezzi blu con quello verde le racconto che esistono diversi tipi di quark, che si combinano come i mattoncini. Abbiamo dato loro dei nomi strani, per esempio «su» e «giù». Se mettiamo insieme due quark «su» e un quark «giù», come questi due mattoncini blu e quello verde, otteniamo una particella che si chiama «protone». Se invece mettiamo insieme un mattoncino blu e due mattoncini verdi, ne facciamo un’altra che si chiama «neutrone».
«Come fanno a stare insieme? – chiede la Pulce incuriosita – Si incastrano come i mattoncini?».
Sarebbe troppo facile. Abbiamo scoperto che ci sono altre particelle che tengono insieme i quark come se fossero una colla. Non a caso, le chiamiamo «colloni», anche se, a dire tutta la verità, usiamo la parola inglese con lo stesso significato, «gluoni». Smonto il primo protone, e infilo tra i mattoncini blu e quello verde un paio di mattoncini trasparenti e sottili, a rappresentare i gluoni. La Pulce, ormai entusiasta del gioco, fa lo stesso con i mattoncini del neutrone.
Cosa ci manca per fare dell’acqua? Dobbiamo fare un paio di atomi di idrogeno, e uno di ossigeno. Per il primo le cose sono semplici: prendiamo un mattoncino giallo, della dimensione più piccola che troviamo, e gli facciamo fare l’elettrone. Adesso dobbiamo metterne uno a girare intorno al protone per fare l’atomo di idrogeno. La Pulce ha pronta la soluzione: recupera un mattoncino bianco, lungo e sottile, e attacca ad una estremità la pila di quark e gluoni che fanno un protone, e il mattoncino giallo che fa l’elettrone. Un’ottima idea: gli elettroni hanno carica elettrica negativa, i protoni positiva, e tra di loro passeggiano i messaggeri dell’interazione elettromagnetica, i fotoni, responsabili di tenere insieme i nuclei e gli elettroni dentro gli atomi.
Estremamente concentrata, la Pulce costruisce un altro protone esattamente uguale al primo, tutto da sola. Per l’atomo di ossigeno le cose sono più laboriose: dobbiamo costruire otto protoni e otto neutroni, e poi assemblarli in una grossa palla usando qualche gluone aggiuntivo. Ci fermiamo a metà strada, con un primo grumo di due protoni e due neutroni: è una particella alfa, un nucleo di elio, di quelle usate da Rutherford per bombardare la lamina d’oro e cercare di scoprire la struttura degli atomi. Finita la palla di otto protoni e otto neutroni, passiamo agli elettroni. La Pulce scava nella scatola, conta e riconta, e diligente pesca tanti mattoncini gialli quanti sono i protoni che abbiamo infilato nel nucleo dell’atomo di ossigeno, e altrettanti mattoncini bianchi stretti e lunghi, per attaccare gli elettroni alla palla centrale. Alla fine dell’impresa, abbiamo ottenuto un nucleo di ossigeno che assomiglia a una margherita aliena, o forse a un ragno. Arriva il passaggio delicato: attacchiamo altri due mattoncini bianchi al nucleo di ossigeno, senza però gli elettroni gialli al fondo. All’altra estremità incastriamo i mattoncini gialli dei due piccoli atomi di idrogeno, con i due protoni dei rispettivi nuclei a penzolare all’estremo opposto. Abbiamo fatto una molecola d’acqua, tutta di mattoncini.
«Sai quante di queste ce n’erano nel bicchiere che hai appena bevuto? – chiedo alla Pulce, che sta facendo volare la molecola di mattoncini in giro per la stanza, come fosse un’astronave – Approssimativamente tremilionitrecentocinquantamila miliardi di miliardi!».
La Pulce non riesce a immaginare un numero così grande, ma le è ben chiaro che, se davvero avesse abbastanza mattoncini per rappresentare tutte le molecole d’acqua dentro un bicchiere, non basterebbe la sua stanza a contenerle: «Pensa che torre potremmo fare per le principesse! – ridacchia entusiasta – Devono essere ben piccole queste particelle, papà!».
La Signora delle Lettere si affaccia sulla porta: è venuta l’ora di rimettere a posto. Decidiamo che la torre della principessa resterà montata in vista del gioco di domani, mentre possiamo tranquillamente disfare la molecola d’acqua. La Pulce concepisce solo due stati possibili per i suoi mattoncini: o completamente montati in qualche struttura, o riposti nella scatola, accuratamente separati per forma e colore. Con calma meticolosa stacca ogni mattoncino che componeva protoni, neutroni e nuvole elettroniche, e li riordina in mucchietti. Alla fine, la molecola d’acqua è ridotta a una pila di elettroni gialli e a due cataste di quark blu e verdi, affiancate a un gruppetto di gluoni trasparenti e a uno di fotoni bianchi.
«Con questi tipi di mattoncini possiamo fare tutto quanto, papà? – chiede la Pulce prima di raccoglierli, un po’ sospettosa – Anche… i gatti? Le matite colorate? I libri di fiabe?».
In effetti, questi componenti fondamentali – quark «su» e «giù» a comporre protoni e neutroni, elettroni che girano loro intorno – sembrano bastare per costruire tutte le sostanze che incontriamo nella vita quotidiana. A dire il vero, però, le cose sono ben più complicate. Nel corso dei decenni, non appena i fisici inventavano un nuovo modo per osservare le proprietà della materia, nuovi mattoncini continuavano a saltare fuori inaspettatamente, in un insieme che sembrava sempre più caotico. Ci è voluto parecchio tempo per fare ordine, e non è stato affatto semplice.
Approfittando dello squillo del telefono che richiama la Signora delle Lettere, ricostruisco al volo un neutrone con due mattoncini verdi, uno blu, e i gluoni sottili e trasparenti. Poi, stacco d’improvviso uno dei mattoncini blu e, davanti agli occhi esterrefatti della Pulce, le racconto della magia che può trasformare un quark «giù» in uno «su», lanciando fuori un mattoncino tozzo e largo di color arancione, che battezzo sul campo «Willy bosone» tra le risate della Pulce. Lei intanto rigira tra le mani il neutrone trasformato: «Non è più com’era prima, adesso sembra più quell’altro suo amico di prima, il protone!».

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