Il mistero delle masse: la sfida di Gino Isidori al Modello Standard

La prossima grande macchina del Cern potrebbe avere un anello sotterraneo lungo tra 90 e 100 chilometri. Il progetto, pensato per misurare con precisione ancora maggiore le particelle conosciute, nasce dalla necessità di cercare risposte a una domanda che il Modello Standard non riesce a risolvere: perché i costituenti della materia hanno masse così diverse?

A occuparsi di questo enigma è Gino Isidori, professore di fisica teorica all'Università di Zurigo e membro da sei anni dello Scientific Policy Committee del Cern di Ginevra. La sua ricerca si concentra sul cosiddetto problema del sapore, cioè sull'origine delle tre famiglie in cui sono distribuiti quark e leptoni e sulle ragioni delle loro profonde differenze.

Il mistero nascosto nelle masse

Elettroni, quark, neutrini e le altre particelle elementari costituiscono i mattoni fondamentali della materia. Dalle loro combinazioni prendono forma atomi, molecole, stelle e tutti gli oggetti che ci circondano; a trasmettere alcune interazioni provvedono invece particelle come il fotone.

Le masse di questi componenti possono essere misurate con grande precisione, ma il loro valore non è spiegato dalla teoria attuale. «Il Modello Standard descrive le interazioni fondamentali attraverso leggi semplicissime, ma lascia aperta una domanda cruciale, cioè perché i diversi costituenti della materia abbiano masse tanto differenti», ha spiegato Isidori. I parametri che fissano tali valori appaiono arbitrari, anche se mostrano una sorta di ordine simmetrico che potrebbe indicare l'esistenza di una teoria più profonda.

L'ipotesi studiata dal gruppo di Zurigo è che esistano interazioni ancora sconosciute. Queste forze potrebbero chiarire sia la divisione di quark e leptoni in tre famiglie, sia il motivo per cui le particelle appartenenti a gruppi diversi presentano caratteristiche tanto lontane tra loro.

Il nuovo acceleratore è già necessario

Per verificare idee di questo tipo non basta formulare modelli matematici: occorre confrontarli con dati sperimentali. La fisica teorica avanza proponendo nuove interazioni, controllandone la compatibilità con le osservazioni già raccolte e ricavando previsioni che gli esperimenti possano confermare o smentire.

Il grande collisore adronico del Cern, noto come LHC, ha consentito nel 2012 di individuare il bosone di Higgs. Dopo un arresto tecnico avvenuto la scorsa estate, l'impianto viene potenziato per aumentare il numero di collisioni e raccogliere dati sufficienti a studiare fenomeni più rari. Secondo Isidori, tuttavia, intorno al 2040 la macchina avrà raggiunto il limite delle proprie possibilità.

La decisione sul suo successore è quindi arrivata con largo anticipo. Dopo due anni di valutazioni, alle quali il fisico ha partecipato attraverso il comitato scientifico del Cern, è stato selezionato il Future Circular Collider: un progetto molto più esteso dell'acceleratore attuale, destinato soprattutto a esaminare con accuratezza estrema le proprietà delle particelle già note.

«Dal Modello Standard sappiamo ciò che manca, ma non abbiamo suggerimenti su dove cercarlo, perciò servono strumenti sempre più potenti e precisi per esplorare ogni possibile direzione», ha osservato Isidori. La costruzione di un acceleratore richiede circa 15 anni e impone di pianificare il lavoro con decenni di anticipo: l'LHC, del resto, era stato concepito già nel 1984.

Dalla scuola italiana a Zurigo

L'interesse di Isidori per le grandi questioni della natura è maturato durante il liceo scientifico, anche grazie alla rappresentazione della Vita di Galileo di Bertolt Brecht, preparata insieme agli insegnanti di scienze e filosofia. Quell'esperienza gli fece comprendere che la ricerca non riguarda soltanto la conoscenza dei fenomeni, ma produce conseguenze sulla società e sul modo in cui le persone interpretano il mondo.

All'Università La Sapienza di Roma il fisico ha incontrato l'eredità della scuola di Enrico Fermi e ha lavorato con Luciano Maiani, relatore delle sue tesi di laurea e dottorato e protagonista della costruzione del Modello Standard. Dopo circa quindici anni tra l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e i Laboratori di Frascati, con periodi trascorsi al Cern e un'esperienza a Stanford, Isidori si è trasferito in Svizzera dodici anni fa.

A spingerlo verso l'Università di Zurigo è stata la possibilità di fondare da zero un gruppo di ricerca in fisica teorica e di inserire giovani studiosi. In Italia, racconta, il percorso professionale era stato rapido e positivo, ma creare una nuova squadra era diventato più difficile.

Il legame con il Paese d'origine è rimasto forte. Isidori ospita ricercatori italiani nel proprio gruppo e segue percorsi di dottorato in co-tutela, a partire dalla collaborazione con l'Università di Padova. A suo giudizio, il passaggio dei giovani tra istituzioni diverse amplia lo sguardo e molti di quelli formati a Zurigo finiscono poi per tornare in Italia.

La scienza deve uscire dai laboratori

La realizzazione di un acceleratore di queste dimensioni richiede risorse ingenti e il sostegno di cittadini in grado di comprenderne gli obiettivi. Per questo Isidori considera la divulgazione parte integrante del mestiere dello scienziato, non un'attività separata dalla ricerca.

«Comunicare la scienza fa parte dei nostri doveri, e gli scienziati hanno la responsabilità di uscire dal proprio castello», ha affermato. Rendere accessibili le domande sull'universo, secondo il fisico, è il modo più efficace per spiegare perché valga la pena investire in strumenti capaci di esplorare ciò che ancora non conosciamo.

La sua attività pubblica comprende anche il ruolo di consulente scientifico per Liliana Cavani in un film televisivo dedicato ad Albert Einstein. A Udine ha inoltre partecipato al Festival Collega-Menti insieme all'astronomo e teologo Giuseppe Tanzella Nitti, discutendo del misterioso equilibrio dell'universo.

L'interesse per il racconto della scienza si riflette anche nelle sue passioni cinematografiche. Isidori ricorda Star Wars come il film della sua infanzia, pur considerandolo poco rigoroso dal punto di vista fisico, mentre apprezza Interstellar e The Martian per la consulenza scientifica alla base delle loro ricostruzioni.

Capire resta diverso dal prevedere

Nelle lezioni rivolte agli studenti, il professore prova a mostrare come la fisica cerchi regole universali dietro fenomeni complessi. La difficoltà, spiega, consiste nel semplificare senza perdere il significato profondo della disciplina.

Questa esigenza lo porta anche a distinguere la comprensione scientifica dalle capacità dei sistemi di intelligenza artificiale. Tali strumenti possono prevedere l'andamento dei fenomeni, ma non necessariamente spiegare le cause che lo determinano. Affidarsi soltanto alle loro previsioni, sostiene Isidori, significherebbe rinunciare all'ambizione tipicamente umana di capire perché accadono le cose.

La fisica, del resto, trova i suoi fenomeni più interessanti lontano dall'equilibrio. Un universo completamente stabile sarebbe uniforme e privo di strutture: proprio le deviazioni, le differenze e le instabilità permettono invece alla materia di organizzarsi e al cosmo di assumere la complessità che osserviamo.