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La rivoluzione che ha scosso la fisica delle particelle
Burton Richter '52, PhD '56, ama descrivere la sua scoperta vincitrice del Premio Nobel con una filastrocca:
Sam Ting con il suo team al Brookhaven National Laboratory nel 1974.
Ieri sulle scale ho incontrato un uomo che non c'era. Oggi non c'era più. Vorrei che se ne andasse.
Era il 1974, appena due anni dopo che Richter e il suo team allo Stanford Linear Accelerator Laboratory avevano finito di costruire un nuovo collisore di particelle che chiamarono SPEAR. La macchina da 6 milioni di dollari ha accelerato elettroni e positroni attraverso un anello di magneti di 80 metri di diametro e li ha fracassati insieme in una pioggia di detriti di particelle da analizzare. Richter non stava cercando una nuova particella, ma era lì: un picco alto e stretto nei dati che indicava una particella pesante con una durata insolitamente lunga. Così a lungo, infatti, sette zeptosecondi, o circa 7.000 trilionesimi di secondo, che ha sfidato la comprensione delle particelle fondamentali da parte dei fisici.
All'inizio, Richter e altri pensavano che qualcosa non andasse nell'attrezzatura, ma presto si resero conto di avere una scoperta tra le mani. Nessuno si aspettava quello che abbiamo trovato. Nessuno. È stata una sorpresa completa, afferma Richter, che per la prima volta si è appassionato alla fisica delle particelle dopo aver lavorato nel laboratorio di sincrotrone del MIT durante il suo primo anno di scuola di specializzazione.
Forse altrettanto sorprendente, una squadra dall'altra parte del paese ha trovato contemporaneamente la stessa cosa. Al Brookhaven National Laboratory, il professore del MIT Sam Ting stava conducendo un esperimento che era, in un certo senso, l'opposto di quello di Richter. Invece di annientare elettroni e positroni, il gruppo di Ting stava distruggendo protoni in un bersaglio fisso di berillio per produrre particelle pesanti che sarebbero poi decadute in elettroni e positroni. Per coincidenza, i due gruppi avevano impostato i loro acceleratori sulla stessa gamma di energia e si erano imbattuti nello stesso insolito picco nei loro dati.
Ulrich Becker, all'epoca professore associato al MIT, svolse un ruolo centrale nella scoperta di Brookhaven. Ora professore emerito, ha ancora nel suo ufficio il grafico originale disegnato a mano, che mostra quel picco inaspettato. Becker dice che anche se il suo gruppo sperava di trovare particelle pesanti, anche loro sono rimasti scioccati nel trovarne uno con una vita così lunga. Non avevamo idea del perché diavolo fosse così, dice. Eravamo molto sospettosi, ma dal momento che era così chiaro, c'era poco spazio per i dubbi.
Nel novembre dello stesso anno, Ting volò a Stanford per un incontro amministrativo e incontrò Richter.
Sam ha detto: 'Burt, ho qualcosa di eccitante da dirti', ricorda Richter, e io ho detto: 'Sam, ho qualcosa di eccitante da dirti voi .'
Quando i due ricercatori si sono resi conto che i loro team avevano fatto la stessa scoperta, hanno organizzato un seminario di laboratorio e hanno presentato i risultati quel giorno. Entro un mese, i gruppi hanno pubblicato documenti back-to-back in Lettere di revisione fisica . Il gruppo di Ting ha soprannominato la nuova particella J e il gruppo di Richter l'ha chiamata Ψ (psi).
La cosa così sorprendente della particella era che è durata circa mille volte più a lungo di quanto i fisici avrebbero previsto all'epoca, il che significa che c'era qualcosa in essa che i fisici non avevano mai incontrato prima, almeno non in laboratorio.
Circa 10 anni prima, i teorici avevano introdotto il concetto di quark: particelle fondamentali (e antiparticelle corrispondenti) che si legano insieme per formare altre particelle, come protoni e neutroni. Nel 1974, gli sperimentatori avevano trovato prove per tre tipi di quark: up, down e strano. Ma un quarto quark proposto, il fascino, è rimasto sfuggente.
All'inizio del 1975, Becker andò in Germania per tenere un discorso sulla nuova particella. Era presente Werner Heisenberg, il fisico teorico famoso per il suo lavoro sulla meccanica quantistica. A un certo punto, Heisenberg interruppe Becker: disse: 'Ogni volta che non sanno cosa sia, inventano un nuovo quark', ricorda Becker. Ero davvero sbalordito. Gli ho detto: 'Senti, professor Heisenberg, non sto discutendo se questo sia fascino o meno. Ti sto dicendo che è una particella che non va via.' Silenzio assoluto. Faceva molto freddo nella stanza. Poi Heisenberg disse: 'Accettato'.
I fisici presto convennero che la particella, in seguito chiamata J/Ψ, consisteva in un quark charm e un quark anticharm.
Ora indicata come la rivoluzione di novembre, la scoperta J/Ψ ha portato la stalla delle particelle fondamentali da un serraglio disordinato a qualcosa di strutturato e prevedibile, descritto da quello che i fisici chiamavano il Modello Standard. Ting e Richter hanno vinto il premio Nobel nel 1976.
Ciò che molte persone hanno cercato di fare da allora è trovare ciò che è oltre l'attuale modello standard, afferma Richter. Finora, è rimasto impermeabile a tutti gli attacchi.