Quest’anno il Nobel per la fisica è stato assegnato a Serge Haroche e David J. Wineland, per i loro studi relativi all’interazione tra luce e materia. Per alcuni la decisione di quest’anno è stata una sorpresa. Mi hanno domandato in molti come mai non è stata premiata la scoperta del bosone di Higgs (che ricordiamo è stata annunciata il 4 Luglio 2012).
Prima di parlare del Nobel di quest’anno, quindi, vorrei spendere qualche parola per spiegare perché non è affatto una sorpresa, e il Nobel non avrebbe mai potuto essere assegnato alla scoperta del bosone di Higgs. Innanzi tutto bisogna considerare il fatto che il bosone di Higgs non è ancora stato scoperto. Gli articoli degli esperimenti Atlas e CMS sono molto chiari da questo punto di vista: li potete leggere liberamente qui e qui (se avete la pazienza di aspettare che la pagina carichi l’infinita lista di autori). Entrambi gli esperimenti possono dire con un elevato grado di certezza di aver osservato un nuovo bosone (ovvero una particella con spin intero) con spin diverso da uno (quindi o zero o 2), che decade in altri bosoni, in particolare W, Z e fotoni. Questo è un fatto. Che questo bosone sia poi proprio il bosone predetto da Higgs e altri teorici nel 1964 e che corrisponda con il bosone di Higgs del Modello Standard, questa è tutta un’altra questione. A dire il vero, entrambi gli esperimenti hanno annunciato che la probabilità che si tratti proprio di quel bosone è molto alta, ma per poterne essere certi bisogna continuare le analisi ancora per qualche anno.
Quindi, a prescindere da discussioni tecniche (tipo a chi assegnare il premio), non sarebbe stato possibile premiare la scoperta di Atlas e CMS, almeno non ancora.
Certo, questo non impediva la commissione di Stoccolma di premiare il professore Peter Higgs, per il meccanismo che predice l’esistenza dell’omonimo bosone. I suoi studi hanno contributio allo sviluppo del modello standard indipendentemente dalla scoperta effettiva del bosone, e non sarebbe la prima volta che un teorico prima di avere una definitiva conferma sperimentale della loro scoperta (come per esempio il premio del 1979 dato a Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg). Anche qui, però, sorgono alcune complicazioni. Per esempio non è possibile dare tutto il merito a Peter Higgs, dimenticandosi degli altri due gruppi di ricercatori che hanno descritto fondamentalmente lo stesso meccanismo contemporaneamente a Higgs, ovvero Robert Brout e François Englert e Gerald Guralnik, C. R. Hagen e Tom Kibble oltreoceano. Robert Brout purtroppo è deceduto a Maggio 2011, mancando di poco l’annuncio del CERN. Rimangono in ogni caso cinque ricercatori da premiare contemporaneamente, e il Nobel viene di solito diviso al massimo tra tre persone. Per fortuna questo non è vero per tutti i premi, quindi tutti e sei i fisici sono stati premiati nel 2010 con il premio J. J. Sakurai di fisica teorica.
Insomma, la scelta di dare il premio a qualcun altro è stata abbastanza ovvia. In aggiunta, bisogna dire che Haroche e Wineland se lo sono davvero meritato. La motivazione ufficiale è : “for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems” ( “The Nobel Prize in Physics 2012 – Advanced Information”. Nobelprize.org. 14 Oct 2012 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/advanced.html), ovvero per aver sviluppato tecniche sperimentali così avanzate da permettere la manipolazione di stati quantistici singoli. Aldilà di considerazioni prettamente scientifiche, sono chiare le conseguenze di questa scoperta per l’avanzamento dei computer quantistici. Uno dei problemi principali nello studio sperimentale della meccanica quantistica è che è impossibile separare l’evento che vogliamo osservare con i nostri stumenti. In pratica non appena guardiamo uno sistema quantistico lo modifichiamo, rendendo impossibile misurarne lo stato precedente alla nostra interazione. È come se per misurare la posizione di una palla in una stanza dovessimo per forza spingerla. Non appena ci avviciniamo la palla si sposta, e quindi non sapremo mai con esattezza dov’era prima che ci avvicinassimo.
Wineland è riuscito a superare questa difficoltà. Prima di tutto ha intrappolato singoli ioni (ovvero nuclei atomici) in trappole costruite tramite determinati campi elettrici e mantenute completamente isolate dall’esterno operando a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto. La maestria di Wineland si dimostra però nelle sue capacità nell’uso di luce laser. Attraverso un fascio laser ad una determinata energia Wineland è in grado di bloccare gli ioni nel loro stato più basso di energia possibile. Poi, attraverso impuli laser calibrati attentamente è riuscito a portare i nuclei in una superimposizione di stati, ovvero due stati di eccitazione contemporaneamente. In questo modo è possibile studiare un nucleo in una condizione molto particolare: quando occupa due stati quantistici contemporaneamente.
L’approccio di Haroche è leggermente diverso. Haroche invece che intrappolare gli atomi, ha deciso di intrappolare la luce. Nel suo laboratorio di Parigi ha una piccola cavità di circa 3 centimetri, con gli specchi più riflettenti che esistono sul pianeta. Questi specchi riflettono così bene che un singolo fotone riesce a rmbalzare avanti e indietro per circa un decimo di secondo: in quel tempo può viaggiare per circa 40mila chilometri! Così Haroche ha a disposizione una scatoletta piena di fotoni ad un’energia ben determinata. Per studiare e controllare questi fotoni, Haroche usa degli atomi costruiti ad hoc per questo scopo: atomi di Rydberg. Mentre attraversano la scatola di fotoni, questi atomi cambiano il proprio stato quantistico e, misurandoli all’uscita, è possibile studiare il sistema quantistico così creato.
Per capire in più dettagli gli esperimenti di questi due scienziati della materia, potete leggere direttamente la pagina del premio Nobel.
Insomma, per quest’anno è andata bene e la discussione relativa a chi assegnare il premio per la scoperta del bosone di Higgs è facilmente rimandabile a quando si avrà una maggior certezza che le osservazioni all’LHC siano effettivamente confermate, ma rimane il fatto che il premio Nobel ha una tradizione che ormai poco si adatta a come funziona la scienza moderna. Oggi sempre più scoperte vengono fatte da un numero maggiore di persone. Di certo in fisica delle particelle siamo agli estremi: Atlas e CMS sono composti da più di 3000 ricercatori ciascuno, ma limitare il premio a tre persone sta diventando limitativo anche in altri campi della fisica. Ormai non è più possibile pensare che un singolo pensatore sviluppi una grande teoria nel suo tempo perso all’ufficio brevetti. Oggi teorie e esperimenti hanno bisogno di un’enorme infrastruttura tecnica e sociale, che coinvolge spesso decine se non centinaia o migliaia persone in giro per tutto il mondo. Prevedo che nel futuro sarà sempre più difficile identificare tre singole persone a cui assegnare il premio.
