I primi tre numeri di Asimmetrie costruivano cataloghi: acceleratori, raggi cosmici, neutrini. Questo quarto numero fa una cosa diversa. Apre con un fisico siciliano scomparso nel 1938 — traghetto Napoli-Palermo, nessuna traccia — e poi ti porta a 1.400 metri sotto le montagne d’Abruzzo, a 3.500 metri sotto il Mediterraneo, all’acceleratore del CERN, e infine su un borgo medievale della Sicilia dove ogni estate dal 1963 i fisici di tutto il mondo si siedono attorno allo stesso tavolo senza protocollo. Il filo che tiene insieme tutto questo è l’invisibile: la materia che non emette luce, il genio che sceglie l’ombra, la logica fondamentale che nessuno ha ancora fotografato.
Articolo 1 — Il genio che si fece ombra
Ettore Majorana:
il fisico che vale
un Nobel mai assegnato.
Nella primavera del 1938 Ettore Majorana sale su un traghetto a Napoli diretto a Palermo. Ha trentuno anni. È già entrato nella storia della fisica. Non arriverà. Non verrà trovato. La sua scomparsa resta uno dei misteri irrisolti della scienza italiana del Novecento.
Enrico Fermi, che lo aveva avuto nel gruppo della via Panisperna — il nucleo della fisica italiana degli anni Trenta — disse di lui: “Al mondo ci sono varie categorie di scienziati. C’è la prima categoria, quelli che fanno scoperte di grande importanza. E poi c’è Majorana: quello era un genio come Galileo e Newton.” Non è retorica. Heisenberg, incontrato a Lipsia nel 1933, gli disse la stessa cosa con parole diverse.
Il contributo più rilevante per questo numero di Asimmetrie è un articolo del 1937 pubblicato su Il Nuovo Cimento: la teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Majorana propone un tipo nuovo di fermione — i fermioni di Majorana — che sono la propria antiparticella. Una particella che non ha un contrario separato: è già il proprio contrario.
Il neutrino è il candidato naturale. Privo di carica elettrica, quasi privo di massa, potrebbe essere la propria antiparticella senza che nulla nella fisica nota lo escluda. La firma sperimentale cercata è il doppio decadimento beta senza neutrino: un nucleo atomico che emette due elettroni senza alcun neutrino, perché i due neutrini si annichiliscono tra loro nel processo. Un segnale talmente raro che il suo tempo medio supera l’età dell’Universo di molti ordini di grandezza.
Asimmetrie dedica spazio a questa caccia nel 2007 perché al Gran Sasso è in funzione CUORICINO — quaranta cristalli di biossido di tellurio raffreddati a 10 millikelvin, più freddi del fondo cosmico a microonde — e il suo successore CUORE è già in progettazione. Nel 2026 il segnale non è ancora arrivato. La macchina è lì, silenziosa, in attesa. Come Majorana, in un certo senso.
Cronologia
Nasce a Catania. Famiglia di ingegneri e fisici.
Incontra Heisenberg a Lipsia. “Un fisico di prima grandezza.”
Pubblica i fermioni di Majorana su Il Nuovo Cimento.
Scompare. Traghetto Napoli–Palermo. Nessuna traccia.
Il doppio decadimento beta senza neutrino non è stato osservato.
Articolo 2 — La massa mancante
Zwicky, Rubin e il problema
che nessuno voleva ascoltare.
Nel 1933 Fritz Zwicky studia l’ammasso della Chioma: circa mille galassie legate insieme dalla gravità. Misura le velocità orbitali e calcola la massa necessaria a tenerle insieme. Il risultato non torna: le galassie si muovono troppo velocemente. La massa visibile — stelle, gas, polvere — non basta. Ne servirebbe 400 volte di più. Zwicky chiama questa componente invisibile dunkle Materie — materia oscura — e viene ignorato per quarant’anni.
La conferma arriva negli anni Settanta. Vera Rubin, lavorando con Kent Ford all’osservatorio Carnegie, misura le curve di rotazione delle galassie spirali: la velocità con cui le stelle orbitano attorno al centro galattico. Per la legge di gravitazione, dovrebbe calare con la distanza, come i pianeti nel Sistema Solare. Non cala. Rimane costante fino ai bordi della galassia e oltre. L’unica spiegazione è un alone di materia invisibile che si estende molto oltre la parte luminosa.
Nel 2006 — pochi mesi prima che esca questo numero di Asimmetrie — arriva la prova più diretta mai ottenuta. Il sistema 1E 0657-558, noto come Bullet Cluster, mostra lo scontro tra due ammassi galattici a circa 10 milioni di chilometri all’ora. Nell’urto, il gas ionizzato — la componente più massiva della materia ordinaria — rallenta per attrito elettromagnetico e rimane al centro, rilevabile in banda X (appare rosso nelle immagini). La materia oscura, che non interagisce elettromagneticamente, attraversa indisturbata e forma due lobi separati ai lati, rilevabili per lente gravitazionale (appare blu).
Le due componenti si sono fisicamente separate. Non è più solo un’inferenza da velocità e rotazioni. È una mappa. La materia oscura esiste separata dalla materia ordinaria — in forma, posizione e comportamento.
Le lenti gravitazionali
La massa curva la luce — previsto da Einstein nel 1915, verificato da Eddington nel 1919. Una massa invisibile frapposta tra noi e una galassia distante ne distorce l’immagine in archi luminosi o anelli. Hubble ne ha fotografati centinaia. La quantità di distorsione permette di misurare la massa — anche se quella massa non emette luce.
Materia oscura
Presente ovunque nell’Universo. Modella le galassie. Non rilevata direttamente.
Materia ordinaria
Stelle, gas, polvere. Tutto ciò che abbiamo studiato finora.
Energia oscura
Accelera l’espansione dell’Universo. Ancora più misteriosa della materia oscura.
Il plasma ionizzato interagisce elettromagneticamente. Nello scontro rallenta e rimane al centro. Temperatura: 160 milioni di gradi. Rilevato da Chandra in banda X.
Non interagisce elettromagneticamente. Attraversa l’altro ammasso senza rallentare. Forma due lobi separati ai lati. Traccia invisibile, ma misurabile per distorsione della luce.
1E 0657-558 (Bullet Cluster) — scontro a ~10 milioni km/h — 2006 — prova diretta della separazione fisica tra materia oscura e materia ordinaria.
Articolo 3 — Il seme del cosmo
Senza materia oscura,
non ci saremmo.
Trecentottantamila anni dopo il Big Bang, l’Universo si raffredda abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai protoni. La radiazione si disaccoppia dalla materia e viaggia libera per tredici miliardi di anni. È la Radiazione Cosmica di Fondo — CMB — fotografata dalla sonda WMAP e dall’esperimento Boomerang con precisione crescente. Quello che vedono è un Universo quasi perfettamente uniforme. Quasi: ci sono fluttuazioni di temperatura di una parte su centomila.
Quelle fluttuazioni sono il punto di partenza di tutto quello che esiste. Le piccole disomogeneità nella distribuzione della materia si amplificano nel tempo per gravità: dove c’è più densità, arriva altra materia; dove c’è meno, si svuota. Le regioni più dense diventano filamenti, poi ammassi galattici, poi galassie, poi stelle.
Il problema è che la materia ordinaria da sola non basta. I fotoni del plasma primordiale esercitano una pressione di radiazione che si oppone all’aggregazione. Prima del disaccoppiamento, ogni perturbazione nella materia ordinaria genera un’onda di pressione — un’oscillazione acustica — che tende a livellare le disomogeneità. Il risultato sarebbe un Universo troppo liscio per formare strutture nei 13 miliardi di anni disponibili.
La materia oscura risolve il problema perché non interagisce con i fotoni. Non sente la pressione di radiazione. Può cominciare ad aggregarsi prima del disaccoppiamento, costruendo già i pozzi gravitazionali in cui la materia ordinaria cadrà una volta liberata. Quando arriva il disaccoppiamento, la struttura è già abbozzata. Le galassie si formano in tempo.
Senza materia oscura, l’Universo sarebbe quasi perfettamente uniforme. Un gas diluitissimo di idrogeno ed elio che si espande nel vuoto, senza aggregazioni, senza reazioni nucleari stellari, senza carbonio, senza ossigeno. La materia oscura è il prerequisito silenzioso della nostra esistenza.
WMAP — la fotografia dell’Universo a 380.000 anni
La sonda WMAP (2001–2010) e l’esperimento Boomerang hanno mappato le fluttuazioni della CMB con risoluzione angolare sempre più fine. I risultati mostrano un Universo composto per il 4% da materia ordinaria, il 23% da materia oscura fredda, il 73% da energia oscura. Tre componenti, di cui comprendiamo a fondo solo la prima.
Articolo 4 — La caccia al buio
Tre strategie,
un solo obiettivo.
Il candidato più studiato nel 2007 è la WIMP — Weakly Interacting Massive Particle: una particella massiva che interagisce solo attraverso la forza debole e la gravità. Il candidato teorico più naturale viene dalla Supersimmetria: il neutralino, la particella supersimmetrica più leggera e quindi stabile, con massa probabile tra 10 e 1.000 GeV. Praticamente un proiettile cosmico invisibile che attraversa tutto.
Gran Sasso:
DAMA/LIBRA e WARP
DAMA/LIBRA cerca la modulazione annuale: il flusso di WIMPs che investe la Terra varia con il moto della Terra attorno al Sole (massimo a giugno, minimo a dicembre). DAMA ha visto questa modulazione. La controversia è aperta: altri esperimenti non la confermano.
WARP usa argon liquido a −186°C. Un rincul nucleare prodotto da una WIMP lascia una traccia distinta dalla radioattività ordinaria. Il prototipo è attivo al Gran Sasso dal 2007.
CERN:
ATLAS e CMS all’LHC
L’LHC si sta ancora costruendo nel 2007. L’accensione è prevista nel 2008. Quando due protoni collidono ad alta energia, se una WIMP viene prodotta non lascia traccia nel rivelatore: sparisce. La si vede “in negativo”: se dopo l’urto manca energia, è uscita come qualcosa di non rilevato. Nel 2012 l’LHC troverà il bosone di Higgs. Il neutralino non lo troverà.
IceCube, ANTARES
e i neutrini dell’annichilazione
Le WIMPs catturate per gravità nel cuore del Sole o della Terra si accumulano e si annichiliscono tra loro, producendo neutrini ad alta energia. IceCube al Polo Sud (ghiaccio antartico) e ANTARES nel Mediterraneo cercano questi neutrini. Nessuna traccia convincente nel 2007. Nessuna nel 2026. I limiti si sono abbassati di ordini di grandezza, ma la preda sfugge ancora.
Articolo 5 — Il Geist di Erice
La scuola che porta
il nome di chi non
si è fatto trovare.
Erice è un borgo medievale sulla punta occidentale della Sicilia, a 750 metri sul mare. Nel 1963 il fisico Antonino Zichichi ci fonda la Scuola Internazionale di Scienze Fisiche Ettore Majorana. Il nome non è casuale: il luogo dell’impossibilità — un borgo isolato, nel sud di un paese periferico nella fisica mondiale — porta il nome del fisico che aveva scelto l’invisibilità.
L’idea fondante è semplice: non un convegno, non una conferenza, ma un luogo dove studenti e Nobel si incontrano senza protocollo. Dove non ci sono domande stupide. Dove Bell, Weisskopf, Cabibbo, Rubbia condividono le stesse tavole. Negli anni della Guerra Fredda, fisici americani e sovietici si trovano a Erice prima che i loro governi si parlino.
Il legame con la ricerca sulla materia oscura non è solo simbolico. La caccia alle WIMPs al Gran Sasso, i rivelatori di neutrini nel Mediterraneo, le simulazioni cosmologiche dell’LHC: tutti progetti che richiedono collaborazioni tra decine di paesi, condivisione di dati, standard comuni. Il modello di Erice — scienza aperta, senza barriere — è la condizione strutturale per cui quella ricerca esiste.
La scuola identifica 63 emergenze planetarie a cui la scienza dovrebbe rispondere: dai cambiamenti climatici alla difesa da oggetti cosmici, dall’inquinamento alle malattie infettive. La materia oscura non è su quella lista — è troppo fondamentale per essere un’emergenza. È il tipo di domanda che giustifica l’esistenza della scienza stessa.
Il Geist
“Fare Scienza vuol dire scoprire la Logica Fondamentale della Natura. Non un metodo, non un protocollo. Una postura: la certezza che ogni domanda, anche la più banale, merita di essere fatta.”
Cosa rimane
Due invisibilità che non si fanno trovare. E una scuola che ci prova.
Nessun numero di Asimmetrie che ho letto ha questo carattere. I precedenti esploravano un territorio: acceleratori, raggi cosmici, neutrini. Questo va nel vuoto. Prende la componente più abbondante della materia nell’Universo — il 27% di tutto — e documenta con precisione il fatto che non sappiamo cosa sia. Non è un fallimento. È una mappa dell’ignoranza, il che è qualcosa di diverso.
Quello che mi ha colpito di più è il collegamento tra Majorana e la materia oscura. Non è un parallelismo retorico: il fermione di Majorana è ancora oggi tra i candidati teorici alla natura della materia oscura. Ci sono modelli in cui alcune WIMPs leggere, o i neutrini sterili, sarebbero fermioni di Majorana. Un fisico che sparisce nel 1938, la cui matematica potrebbe descrivere l’80% della massa dell’Universo: c’è qualcosa di vertiginoso in questo che non è retorico.
Dal 2007 a oggi la situazione è peggiorata nel senso migliore possibile. XENON, PandaX, LUX hanno abbassato i limiti di sensibilità di fattori milioni rispetto al 2007. L’LHC non ha trovato supersimmetria. I parametri più naturali per il neutralino sono stati esclusi. Questo significa che o siamo nella regione sbagliata dello spazio dei parametri, o la materia oscura è qualcosa di diverso dalla WIMP supersimmetrica che sembrava così ovvia nel 2007. La caccia è enormemente più precisa. La preda non si trova ancora.
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Asimmetrie —
gratuita, due volte l’anno.
La rivista dell’INFN è disponibile gratis in formato digitale e cartaceo. Se questi temi ti interessano, è il punto di partenza più onesto che esista: scritta da fisici, pensata per tutti.
Ogni numero di Asimmetrie ti lascia con qualcosa. Questo ti lascia con la strana sensazione che l’invisibile abbia una forma — precisa, misurabile, quasi afferrabile — ma che ogni volta che ci avviciniamo, si sposti un po’ più in là. Non è sconfortante. È il senso esatto di cosa vuol dire fare fisica.
Alberto
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