Quando abbiamo chiuso il LEP

La caccia al Bosone di Higgs – alla cui conclusione si sono avvicinati ora i ricercatori del CERN di Ginevra con una serie di misure interessantissime – ha intrecciato la vita della comunità scientifica in modo molto peculiare a cavallo tra la fine del secolo scorso e il 2000. Quando cioè al CERN di Ginevra (di cui ero direttore generale, all’epoca) la prevista chiusura di LEP, la grande macchina acceleratrice, coincise con un segnale che alcuni interpretavano come una possibile rivelazione del bosone di Higgs. Il dilemma era drammatico: chiudere LEP e lavorare sei, sette anni per avere la nuova macchina, LHC, e sperare che gli americani di Fermilab non vedessero prima la “particella di Dio”, o rovesciare il tavolo e puntare tutto su questa flebile pista? Vediamo le premesse di questo dilemma.

Le macchine acceleratrici moderne sono un pò come le navi oceaniche dei tempi eroici. Costruite con progetti e obiettivi ambiziosi, partivano con un equipaggi carichi di speranze e di aspettative e creavano intorno a se una comunità di esploratori, commercianti, marinai e avventurieri che partecipavano alle fortune e ai rovesci. Nella maggior parte dei casi, le macchine acceleratrici, proprio come le navi di un tempo se non venivano affondate prima, dopo uno o due decenni si avviano a un normale declino, in qualche caso prolungato con miglioramenti e aggiunte, finchè i clienti si assottigliano e vengono chiuse.

Il caso di LEP (il grande collisore elettroni-positroni del CERN) è stato diverso. Progettata negli anni ’70 e costruita nel decennio successivo, era stato previsto sin dall’inizio che la macchina sarebbe stata rimpiazzata da un macchina a protoni nello stesso tunnel. La ragione era semplice: il tunnel di LEP, ventisette chilometri di circonferenza e un centinaio di metri di profondità, occupava ormai tutta la pianura di Gex, a cavallo tra Svizzera e Francia, stretta tra il Lago Lemano e la catena del Jurà (sì, proprio quello che dà il nome a Jurassic Park). Non c’erano estensioni possibili nè soluzioni alternative per esplorare al CERN le energie più grandi di quelle raggiunte con LEP, se non piazzare la macchina successiva nello stesso tunnel. Che infatti era stato realizzato più largo del necessario, abbastanza da contenere un futuro collisore a protoni con due anelli giustapposti, il Grande Collisore Adronico (il Large Hadron Collider della sigla) .

Quando LHC fu approvato, nel 1995, per placare il nervosismo della comunità scientifica cresciuta intorno a LEP e ai suoi successi scientifici, il mio predecessore alla direzione del CERN, l’inglese Chris Llewellyn Smith, fu persino costretto a recitare una pietosa bugia: si sarebbe messo LEP su degli scaffali a metà altezza nel tunnel, per permettergli di continuare a lavorare anche durante il funzionamento di LHC. Lo sforzo titanico di costruire LHC senza aumentare il bilancio del CERN, come chiedevano gli Stati Membri, significava nel migliore dei casi concentrarvi sopra, per un ventennio, tutte o quasi le risorse della fisica delle particelle in Europa, cresciuta fino ad allora piuttosto nello spirito dei Cento Fiori di Mao. Impresa difficile, un pò di propaganda non guastava.

Nel frattempo, LEP continuava a raccogliere record di precisione. Si riuscirono persino a misurare le dilatazioni della macchina sotto l’azione delle maree della luna, misurando l’energia dei fasci con precisioni mai raggiunte. Mancava però l’ultimo anello della catena: il bosone di Higgs.

Le misure di LEP e delle macchine americane SLC e Tevatron avevano fornito valori così precisi delle proprietà dei bosoni intermedi (masse e decadimenti) da mettere in evidenza piccole deviazioni dalle predizioni teoriche di prima approssimazione, che potevano essere spiegate solo con effetti legati alle fluttuazioni previste dalla meccanica quantistica. Ogni particella, ad esempio lo Z, può emettere e riassorbire particelle su tempi infinitesimi, in violazione della legge di conservazione dell’energia. Queste fluttuazioni cambiano le proprietà dello Z. Misurandole, si può risalire alla massa delle particelle create e riassorbite nelle fluttuazioni. In questo modo era stata prevista la massa del quark top, poi scoperto nel 1994 a FermiLab, esattamente dove atteso. La delicata trama delle misure di LEP e delle altre macchine indicava una massa del bosone di Higgs tra 90 e 200 volte la massa del protone, con una sovrapposizione non disprezzabile con quanto si poteva fare con LEP, che era in grado di raggiungere fino a 110-120 volte la massa del protone. In questo modo, si arrivò alla fine del 1999. Il lavoro di scavo del tunnel che avrebbe portato i protoni nel tunnel di LEP erano ancora indietro e si decise, giustamente, di dare ancora un anno a LEP per vedere se si poteva mettere anche il bosone di Higgs nel carniere.

Nell’estate del 2000, la collaborazione ALEPH registrò alcuni eventi che potevano essere interpretati come la produzione simultanea di due particelle: un bosone vettoriale più una seconda particella, con massa circa 114 volte la massa del protone (ovvero 114 GeV), che si disintegrava subito in due getti di particelle leggere, contenenti ciascuno un quark beauty. Era proprio il tipo di evento atteso per il bosone di Higgs e la massa era anch’essa nella regione “giusta”. Un brivido attraversò il CERN: era la volta buona?

Il problema era che gli eventi normali, prodotti dalle usuali interazioni, costituiscono un rumore di fondo che può dare luogo a eventi con un aspetto del tutto simile agli eventi di ALEPH. Solo l’accumularsi della statistica avrebbe potuto dire se quegli eventi serebbero cresciuti in numero, fino a formare un picco all’energia di 114 GeV, o erano solo una fluttuazione del rumore. Per questo, aspettammo pazientemente la fine di settembre (data prevista per la chiusura annuale di LEP) e poi prolungammo il funzionamento della macchina fino alla fine di ottobre. Anche per vedere se gli altri tre esperimenti, DELFI, L3 e OPAL avrebbero osservato eventi analoghi.

Nel settembre del 2000, il CERN celebrò la conclusione del programma LEP, con la partecipazione di personalità eminenti dagli Stati Membri, ministri e alti funzionari. Dopo aver ascoltato i discorsi che riportavano gli ultimi risultati, feci partire discretamente uno studio sui costi di un prolungamento di LEP a tutto il 2001 e delle ripercussioni che il prolungamento avrebbe avuto sul programma di costruzione di LHC. Il problema era che i lavori di scavo avrebbero raggiunto il tunnel di LEP di lì a poco. Si sarebbero dovuti interrompere i lavori, disdire i contratti, pagare le penali e probabilmente i salari del personale ormai assunto dalle imprese oltre, naturalmente, alle spese per il funzionamento di LEP, non più previste nei piani del 2001. Il tutto, si stimò, viaggiava intorno ai 120 milioni di franchi svizzeri. A questo, si doveva aggiungere l’impatto psicologico sulla comunità di LHC: la sosta di un anno, una volta imboccata la strada delle verifiche, avrebbe potuto dare luogo a ulteriori rinvii e a reazioni molto pericolose da parte delle Agenzie di Finanziamento degli esperimenti sparse in tutto il mondo, dal Giappone agli Stati Uniti passando per Russia, India, Pakistan e altri paesi.

In ottobre, gli altri esperimenti non videro cose strabilianti e neanche ALEPH, ma verso la fine del mese L3 annunciò un evento che sembrava potesse cambiare il mondo. Era un evento di due getti con b quark nello stato finale, alla fatidica massa intorno a 114 GeV, e con una mancanza di energia che corrispondeva alla massa dello Z. Poteva essere interpretato come la produzione della particella riportata da ALEPH insieme ad uno Z che decadeva in una coppia di neutrini invisibili.

Le persone a me più vicine, in quelle circostanze, erano Roger Cashmore, direttore per gli esperimenti a LEP e LHC, e Michel Spirò, presidente della Commissione Scientifica di LEP. Discutemmo a fondo l’evento di L3 e alla fine concludemmo che non era così significativo. Quello che mancava, nello stato finale, era un sbilanciamento delle quantità di moto che, insieme alla mancanza di energia, avrebbe indicato in modo non equivoco la presenza del decadimento dello Z in una coppia di neutrini. Insieme alla mancanza di energia, lo sbilanciamento dei momenti era stato l’elemento cruciale che aveva permesso a Rubbia di annunciare la scoperta dello Z , dieci anni prima nelle collisioni protone-antiprotone. In assenza di questo, l’energia mancante poteva essere energia elettromagnetica che si perdeva nei tubi di collisione senza essere rivelata oppure energia portata via dei neutrini nel decadimento dei mesoni b. Quindi, non eravamo in presenza della “pistola fumante” dei film western, ma di un segnale che solo la statistica avrebbe potuto distinguere dal fondo (analisi successive motrarono che l’ipotesi dei neutrini dal decadimento del b era la più probabile).

Questo esercizio mi portò a conclusioni radicali ai fini del prolungamento di LEP. Poichè l’energia di LEP non poteva essere aumentata in alcun modo, non si sarebbero potuti osservare sbilanciamenti dei momenti nè pistole fumanti. In risposta a una lettera di due autorevoli fisici italiani che mi pressavano a prolungare LEP, esponevo così i miei argomenti: “Il rischio di trovarci in estate-autunno l' anno prossimo ancora a 3-3.5 sigma non e' per niente trascurabile. In un tempo limitato, non si potrebbe piu' rimediare (o pensiamo di runnare 2 anni?). A quel punto avremmo speso tutti i nostri margini di soldi, di tempo e di credibilita', in una scommessa molto molto rischiosa. Non ho mai apprezzato il poker e neanche la tenda rossa di Scott.”

LEP era arrivato al capolinea. Solo LHC, con a disposizione energia e luminosità sufficienti, avrebbe potuto dire se c’era realmente un bosone di Higgs a 114 GeV o se non stessimo piuttosto inseguendo un fantasma.

Gli eventi si susseguirono molto rapidamente. Il 3 novembre, il parere della Commissione LEP, non conclusivo, e immediatamente dopo quello del Research Board del CERN e quello della Scientific Policy Committee, anch’essi non conclusivi. La questione, alla fine del classico scaricamento del barile, tornò sul mio tavolo da dove non si poteva più muovere. Dopo consultazione nel direttorato, decidemmo di proporre la continuazione del programma, quindi la chiusura di LEP, ad un Council informale (il “Comitato del Consiglio”) che convocai per il 17 Novembre. Il Comitato del Consiglio, messo di fronte all’alternativa di puntare 120 milioni di Franchi Svizzeri sulla roulette degli eventi anomali o di chiudere LEP, decise, saggiamente, per la chiusura.

La decisione formale, tuttavia, sarebbe stata ratificata solo in Dicembre, nella riunione ufficiale del Council, quindi c’era tempo per tentare di cambiarla. Le pressioni furono considerevoli, con articoli su autorevoli giornali europei che sottolineavano la meschinità di chiudere LEP per una questione di fondi, quando si era alle soglie di una scoperta epocale. Erano reazioni comprensibili: fisici di una intera comunità aveva scommesso decadi della loro vita su LEP e molti, per età o altro, non avevano la prospettiva di lavorare con LHC. Si opponevano a chi voleva togliere loro le chances della scoperta della vita.

Ai primi di Dicembre presentai il caso alla riunione del Comitato Europeo per i Futuri Acceleratori (ECFA) che si teneva nel laboratorio DESY di Amburgo. Fuori tirava un vento gelido, ma il gelo dell’auditorio era nettamente superiore. Profondo silenzio, nessuna domanda, figurarsi gli applausi. La Commissione prese atto della chiusura di LEP con distacco, forse senza rendersi conto che questo avrebbe salvato il programma LHC, approvato con entusiasmo dalla stessa Commissione qualche anno prima, e le chances di scoprire al CERN il bosone di Higgs.

Un’accusa ingiusta che mi venne fatta fu di avere “svenduto” il bosone di Higgs a FermiLab, in cambio di non si sa bene quali contropartite. La mia risposta fu che non si potevano impedire le scoperte degli altri commettendo l’errore strategico di non chiudere LEP. Devo anche dire che le mie informazioni sulle prospettive di migliorare la luminosità del Tevatron e le prestazioni dei suoi rivelatori, mi portavano a concludere che il Tevatron non sarebbe arrivato nella regione sotto i 120 GeV, e comunque non prima di LHC. Mi sembra oggi che la previsione sia stata rispettata, nonostante LHC abbia ritardato di circa quattro anni rispetto alle stime che si potevano fare alla fine del 2000.

Ci furono anche episodi positivi. Steven Weinberg, Premio Nobel per la Fisica proprio per la teoria che prevede il bosone di Higgs per spiegare le masse delle particelle, mi inviò un e-mail in cui, mi esprimeva molto gentilmente il suo rincrescimento per l’arresto delle ricerche a LEP. Giuseppe Cocconi, fisico italiano dei tempi di Fermi e della prima fisica delle particelle, apparve l’11 novembre nel mio ufficio e mi consegnò con un breve commento (“ho pensato ti potesse far piacere in questi momenti difficili”) , una poesia di Robert Frost, dal significativo titolo “Le due strade”. La poesia concludeva: due strade si sono divise in un bosco ed io | ho preso quella meno frequentata | e questo ha fatto tutta la differenza.

Il Council approvò la chiusura di LEP il 15 dicembre 2000 e la questione si avviò al suo epilogo. Uno strascico curioso fu che, in una riunione del direttorato nel gennaio 2001 appresi che i cavi di alimentazione di LEP erano ancora intatti, come se la macchina dovesse ripartire il giorno dopo. Senza mezzi termini, feci mettere a verbale che, ove la situazione non si fosse risolta in una settimana, sarei sceso con le tronchesi nel tunnel per porre personalmente fine ad ogni possibile equivoco. La chisura definitiva della questione si ebbe nel maggio 2001, quando gli scavi del tunnel di collegamento con lo SPC arrivarono al tunnel di LEP e aprirono il varco che dava inizio alla trasformazione di LEP in LHC. Le Roy est mort, vive le Roy.

Per approfondire
Carlo Rovelli. La particella esasperante. Il Sole 24 Ore, 27 novembre 2011.
Gian Francesco Giudice. Il bosone di Higgs alle corde. Il Sole 24 Ore, 11 dicembre 2011.