Nobel a Englert e Higgs premia il paradigma delle simmetrie

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Nel 1962 lo storico e filosofo della scienza Thomas Kuhn pubblicò il saggio La struttura delle rivoluzioni scientifiche, in cui sosteneva che ogni rivoluzione scientifica è caratterizzata da un momento di crisi, dal quale sorge una nuova visione scientifica, ovvero un nuovo paradigma, secondo la terminologia di Kuhn. È curioso come proprio negli anni della pubblicazione del saggio di Kuhn, stava nascendo in fisica un nuovo paradigma, frutto di un'autentica rivoluzione scientifica. Mi riferisco alla comprensione del ruolo chiave che giocano le simmetrie nelle leggi fondamentali della natura e, in particolare, ai diversi modi in cui le simmetrie possono manifestarsi.
Il premio Nobel per la fisica assegnato quest'anno a Francois Englert e Peter Higgs celebra appunto la scoperta di un particolare modo in cui una simmetria può essere presente nelle leggi fisiche che descrivono certi tipi di forze, pur non essendo per nulla evidente nelle proprietà delle particelle che risentono di queste forze. Questo fenomeno avviene quando lo stato di minima energia, cioè quello che i fisici chiamano vuoto, non gode del medesimo grado di simmetria delle leggi fisiche. In questo caso, la simmetria si manifesta in modo più complesso dal punto di vista matematico, più recondito dal punto di vista fisico, ma altrettanto efficace nel determinare la struttura delle leggi fisiche. In gergo tecnico, si dice che siamo di fronte a una rottura spontanea di simmetria.

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All'inizio degli anni sessanta si pensava che la rottura spontanea di simmetria implicasse per forza l'esistenza di particolari particelle di spin zero e massa nulla, di cui però non vi era traccia in natura. Per complicare le cose, i fisici di allora si erano convinti che le particelle capaci di trasmettere forze, nel contesto delle cosiddette teorie di gauge, fossero necessariamente di massa nulla. Entrambi i risultati rappresentavano seri ostacoli alla possibilità di utilizzare la simmetria per descrivere le forze nucleari e subnucleari. I successivi studi di Schwinger, Anderson, Brout, Englert, Higgs, Guralnik, Hagen e Kibble mostrarono che i due problemi si annullavano a vicenda. In una teoria di gauge in cui il vuoto non rispetta le stesse simmetrie delle leggi fisiche (cioè in presenza di rottura spontanea di simmetria) non esistono le problematiche particelle di massa nulla, e i mediatori delle forze sono particelle massicce. I due problemi avevano trovato una soluzione comune.
Questo risultato aprì nuove opportunità per l'utilizzo delle simmetrie in fisica, che sono state utilizzate prima da Weinberg e poi da un'intera generazione di fisici per svelare i segreti dei principi della natura e affermare il paradigma delle simmetrie (per usare un linguaggio alla Kuhn). Infatti, oggi sappiamo che tutte le forze in natura - la gravità, l'elettromagnetismo e le altre interazioni che agiscono a livello nucleare e subnucleare - sono espressioni di un unico principio che poggia sul concetto di simmetria. Inoltre, la simmetria della forza nucleare debole è realizzata con rottura spontanea, ovvero non è rispettata dallo stato di vuoto, proprio nel modo concepito dai vincitori del premio Nobel per la fisica di quest'anno. Speculazioni teoriche più recenti sostengono che il fenomeno della rottura spontanea di simmetria sia molto più vasto. Anziché coinvolgere solo la forza debole, il vuoto potrebbe nascondere nelle sue pieghe simmetrie molto maggiori, forse legate a una completa unificazione di tutte le forze in natura. La scoperta del bosone di Higgs è stata un coronamento del paradigma delle simmetrie, ovvero della concezione che le simmetrie governano le proprietà delle forze fondamentali. Va sottolineato però che, nonostante un nuovo elemento fosse necessario per il completamento della teoria della forza debole, l'esistenza di una particella con spin zero, quale il bosone di Higgs, non è una necessaria conseguenza della rottura spontanea di simmetria in una teoria di gauge. Per esempio, la superconduttività è un esatto analogo del fenomeno presente nella forza debole, pur senza coinvolgere alcuna particella con spin nullo. La conferma che il completamento della teoria della forza debole è realizzato da un semplice bosone di Higgs rappresenta un successo del paradigma delle simmetrie ma, al tempo stesso, ne apre una falla. Infatti, spingendo all'estremo il paradigma delle simmetrie, i fisici teorici si attendevano che nuovi fenomeni e nuove particelle dovessero accompagnare il bosone di Higgs. Le ricerche attuali non hanno, per il momento, messo in evidenza i fenomeni aspettati, anche se la questione è ancora sotto indagine sperimentale. Il premio Nobel per la fisica a Englert e Higgs è un riconoscimento alle prime fasi di una rivoluzione scientifica che ci ha fatto comprendere un profondo principio della natura: il paradigma delle simmetrie. Secondo Kuhn, a una rivoluzione scientifica segue un fase di lento progresso che poi sfocia improvvisamente nell'affermarsi di un nuovo paradigma. Forse oggi siamo di fronte ai primi indizi che favoriranno l'emergere di un nuovo, e ancora sconosciuto, paradigma destinato a sostituire quello delle simmetrie.

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