Uno spiraglio verso una ‘nuova fisica’?

14 novembre 2022
Intervista a Graziano Venanzoni, INFN

Di Mario Fois e Fabrizio Murtas

Venanzoni, secondo la rivista Nature tra i cinque scienziati più importanti del 2022, è uno dei promotori e co-portavoce dell'esperimento Muon g-2 realizzato attraverso una collaborazione internazionale al Fermilab di Chicago. Nell’aprile 2021 questa ricerca ha ottenuto "l'indizio più solido della possibile presenza di nuova fisica". Un risultato, attualmente in fase di verifica, che potrebbe aprire prospettive rivoluzionarie per la conoscenza sulla natura della materia.

Graziano Venanzoni, INFN

Un anno fa la notizia della possibile ‘scoperta’ ha colpito la fantasia di molte persone. Cos’è successo dall’annuncio dei primi importanti risultati sperimentali? 

Voglio fare una premessa: noi viviamo in un periodo unico per la fisica delle particelle, perché la Teoria che chiamiamo ‘Modello Standard’ e che rappresenta l'ortodossia in questo campo, predice i fenomeni che osserviamo nell'infinitamente piccolo. Ma questa teoria non riusciamo a superarla: tutti i test che facciamo, o quasi, alla fine danno un risultato che la confermano.

Ci sono però motivazioni teoriche e osservazioni sperimentali che ci inducono a pensare che il ‘Modello Standard’ non sia la Teoria ultima, quella che descrive in maniera soddisfacente tutti i fenomeni fisici. All’interno di questo Modello non convivono leggi gravitazionali e meccanica quantistica e, da un altro punto di vista, lo stesso non riesce a spiegare cosa sia la ‘materia oscura’. Inoltre non va d'accordo con le osservazioni che vengono fatte su larga scala.

Tutto ciò naturalmente lascia in noi scienziati un senso di frustrazione, perché non riusciamo a trovare evidenze di una Teoria fisica differente che probabilmente è possibile. Ad oggi, quando viene fatto un esperimento e si confrontano il valore teorico con quello sperimentale di solito le due cose coincidono.

L'esperimento di cui sono uno dei promotori, il Muon g-2, è invece in questo momento uno dei pochissimi che dà risultati discordanti. Rappresenta, potenzialmente, uno spiraglio per la scoperta di una possibile ‘nuova fisica’.

Su una particella così infinitesimale come il Muone, è possibile ottenere misurazioni precise?

Abbiamo misurato la proprietà di una particella elementare, il muone, con un livello di accuratezza altissima, paragonabile alla misura della lunghezza di un campo di calcio con la precisione del diametro di un capello.

Considerando un margine d’errore dovuto ad aspetti tecnici e alle fluttuazioni statistiche, se il valore si discosta di almeno cinque volte il margine previsto, ciò significa che la probabilità che rifacendo l’esperimento si ottengano valori compatibili con il Modello Standard è bassissimo. Considerando che attualmente la nostra misura si discosta di quattro volte l'errore, questa è circa 1/40.000.

La comunità scientifica, per evitare falsi ‘claims’ (falsi annunci) si è data una regola che prevede che si parli di ‘scoperta scientifica’ solo se la differenza rispetto al dato atteso è di cinque volte l'errore. Con il nostro esperimento quindi siamo molto vicini al poter dire di aver fatto una nuova scoperta.

L’esperimento Muon g-2 rappresenta uno dei rarissimi casi che hanno generato aspettative per il superamento del Modello Standard, aprendo forse la strada ad una Teoria ancora più completa ed inclusiva di tutti i fenomeni.
L'anello Muon g-2 che si trova nella sala del rivelatore. Questo esperimento viene effettuato a  -450 gradi Fahrenheit per studiare l'oscillazione) dei muoni mentre viaggiano attraverso il campo magnetico. Fermilab, fotografia di Reidar Hahn

Il fisico Giovanni Cantatore descriveva il comportamento del muone con una analogia comprensibile a tutti: una particella che gira su sé stessa come una trottola e che viene influenzata dall'incontro con altre particelle invisibili.

È una analogia interessante, anche se naturalmente le cose sono un po’ più complicate. Una trottola che ruota ha uno spin, un verso di rotazione. Se s’inclina l’asse di rotazione della trottola e si conosce la massa, la forma e la frequenza con cui ruota, è possibile conoscere la forza gravitazionale responsabile del moto e svelare tutta la fisica della trottola stessa. 

Se paragoniamo il muone ad una trottola, il campo gravitazionale deve essere sostituito dal campo magnetico. Una volta conosciuto il campo magnetico e la velocità con cui ruota sul suo asse, sapremo com’è fatto il muone. E questo muone è diverso da come c’è lo aspettavamo secondo il Modello Standard.

Quella della ricerca di una ‘nuova fisica’ è un bellissimo racconto ma qual’è la motivazione profonda che spinge a cercare di superare le frontiere della Fisica e della conoscenza?

La motivazione nasce principalmente dalla curiosità dell'uomo che, per certi versi, si comporta come un bambino che si stufa di giocare sempre con lo stesso giocattolo. Quando ha tra le mani una Teoria la considera provvisoria, pensa che forse non sia quella definitiva, vuole andare oltre.

La curiosità umana ci spinge ad elaborare nuove Teorie e descrizioni della natura, sempre più inclusive di tutti i fenomeni, anche perché noi scienziati pensiamo che tutto quello che ci circonda sia nato da una singolarità spazio temporale, il momento in cui le leggi della Fisica erano una cosa sola. Quindi anche la Teoria che cerchiamo deve unificare le nostre conoscenze.

Per spiegare meglio questo aspetto basti pensare che per descrivere il moto dei pianeti viene utilizzata la teoria gravitazionale di Einstein, ma se bisogna misurare le proprietà di un elettrone queste Teoria non funziona.

La cosa che non capiamo è come mai queste due forze, quella gravitazionale e quella elettromagnetica, che pensiamo fossero unificate nell’istante in cui è nato l'universo, cioè 13,8 miliardi di anni fa, oggi siano così diverse.

La fisica dei primordi doveva essere unica e corrispondere ad una Teoria unica ma quando l'universo ha cominciato ad espandersi e a raffreddarsi i comportamenti della materia hanno cominciato ad essere descritti dalle quattro teorie (elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte e gravitazionale) attualmente in uso.

Queste Teorie che portata hanno? Forse corrispondono solo alle forze che noi oggi conosciamo e studiamo: da una parte c'è la forza gravitazionale, dall’altra ci sono le altre tre forze unificate nel Modello Standard.

L’ipotesi è che tutte le forze siano mediate da alcuni intermediari, da quelli che chiamiamo quanti di energia. Ad esempio la forza elettromagnetica è mediata da un fotone, un quanto di luce, quindi ci saranno due cariche che si scambiano dei fotoni e si danno l'informazione tra loro. 

Si pensa che lo stesso accada a livello gravitazionale, quindi con lo scambio di quelli che chiamiamo gravitoni, particelle elementari di massa pari a zero che portano l’informazione gravitazionale. 

Attualmente riscontriamo dei comportamenti apparente inconciliabili e non sappiamo perché l'infinitamente piccolo si comporti in modo così diverso dall'infinitamente grande. È una questione importante da risolvere che riguarda la concezione stessa della realtà, anche perché pensiamo che l'universo sia nato da una singolarità spaziotemporale.

Paolo Girotti lavora alle attrezzature per l'esperimento Muon g-2. Fermilab, fotografia di Reidar Hahn

Cosa significa singolarità spaziotemporale?

Significa che nell’istante in cui è nato l'universo tutta l'energia era localizzata in un solo punto infinitesimale e in quel punto c’era il seme da cui poi sarebbero scaturiti frutti differenti, la forza gravitazionale, quella elettromagnetica ed altre forze. 

Ora abbiamo due mondi apparentemente separati: il tentativo della scienza è di ripercorrere a ritroso la strada verso l’inizio di tutto per trovare una Teoria unificatrice di tutte le forze della fisica. 

Nella ricerca si può procedere sostanzialmente in due modi: aumentando sempre il livello di energia, come ad esempio succede negli esperimenti al CERN perché, sapendo che l'universo si è raffreddato man mano che si espandeva, è come andare a ritroso nel tempo.

L'altra possibilità è quella di sfruttare la meccanica quantistica. È una teoria poco intuitiva che presuppone paradossi come quello del gatto di Schrödinger (secondo cui prima di aprire la scatola il gatto avvelenato con un gas velenoso rimane in uno stato indeterminato: è sia vivo che morto) o della funzione d'onda, che si sovrappone al comportamento duale del corpuscolo. 

Però questa Teoria ci dice che in un istante infinitesimo possono avvenire fluttuazioni di energia molto grandi in grado di creare effetti rilevanti sulle proprietà delle particelle che misuriamo. 

Analizzare i comportamenti di alcune di queste particelle è quello che facciamo al Fermilab, come quando misuriamo il comportamento del muone e l'effetto quantistico di particelle virtuali che vengono create e che scompaiono in tempi infinitesimali. 

Ed è in questo modo che riusciamo ad andare a ritroso nell'evoluzione dell’universo, scoprendo l'impronta di particelle che crediamo essere le stesse che erano presenti nel momento della sua nascita.

Naturalmente sono possibili anche osservazioni astronomiche dirette, su grande scala. Osservando l'universo è possibile avere conferma di una Teoria anche se in questo caso, essendo presenti masse molto grandi come stelle e pianeti, prevarranno gli aspetti gravitazionali. 


Tornando alla domanda iniziale: cosa è successo in un anno, dopo l’annuncio dei primi importanti risultati? 

In effetti è successo qualcosa di importante. Quando abbiamo pubblicato la prima misurazione sul comportamento del muone, già molto precisa, che si discostava dalla predizione teorica del Modello Standard mostrando la possibile evidenza di una ‘nuova fisica’, la cosa ha provocato molto clamore e ha fatto sì che gruppi di fisici teorici nel mondo si attivassero per un lavoro di verifica.

Un lavoro di calcolo molto complesso che ha visto in particolare un gruppo di lavoro arrivare con un metodo diverso ad un valore differente da quelli con cui ci siamo confrontati, riferito al Modello Standard. Bisognerà capire chi ha ragione e se, per il nostro esperimento, si possa realmente parlare di ‘scoperta’.

Nel frattempo, dopo la pubblicazione dei primi risultati sperimentali ci siamo dati da fare e il prossimo anno pubblicheremo una nuova misura con una precisione due volte migliore rispetto alla precedente, cioè con un errore ridotto della metà.

L’obiettivo è quello di ottenere per il 2025-26 una misura con una precisione di quattro volte maggiore rispetto alla prima pubblicata nel 2021, con la speranza che nel frattempo i teorici al lavoro riescano a ‘scoprire l’errore’ e a trovare il motivo per cui in un caso sono stati ottenuti valori discordanti.

È un lavoro veramente affascinante che, in qualche modo, vede partecipare tutto il mondo della ricerca e che dialoga con chi fa le verifiche sperimentali e i conti teorici. In un momento di conflitti così forti vedere coinvolte tante persone che realizzano migliaia di test in laboratori presenti in molti paesi è qualcosa di estremamente importante.

I ricercatori delle diverse istituzioni che collaborano all'esperimento Muon g-2. all'interno dell'anello di archiviazione. Fermilab, fotografia di Reidar Hahn

Come spieghi i tanti successi della fisica italiana e il contributo non solo dei grandi nomi ma anche di giovani come ad esempio Antonio Anastasi, un giovanissimo fisico oggi scomparso che con una tesi di dottorato è stato uno dei primi a pubblicare un uno studio sul Muone g-2? E che ruolo può avere il lavoro di divulgazione scientifica fatto dagli esperti o da divulgatori?

La scuola italiana di fisica è tra le migliori al mondo e questo dipende principalmente dal percorso formativo e scientifico, che comincia dalla scuola dell'obbligo e continua fino all'università proseguendo sino al dottorato. La preparazione degli studenti che arrivano al dottorato è altissima. In questo campo competiamo senza nessun problema con scienziati di tutto il mondo.

In generale gli studenti, i dottorandi, i giovani studiosi italiani sono molto coinvolti nell’attività sperimentale. Anche le misure sperimentali, che sono molto importanti per la ricerca, per la maggior parte sono fatte da dottorandi, studenti e post-doc. Negli esperimenti condotti al Fermilab sono stati i giovani che hanno prodotto la gran parte del lavoro mentre gli scienziati ‘senior’ hanno fatto loro da guida, portando esperienza e dato consigli e indicazioni. Però poi il lavoro, quello duro, lo fanno principalmente i giovani. Antonio Anastasi ad esempio con il suo lavoro sul Muon g-2 ha dato un contributo importante per lo sviluppo della nostra ricerca.

Inoltre in Italia abbiamo l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) che è unico nel mondo, ed è un’istituzione pubblica che dà la possibilità di fare ricerca di altissimo livello. Ha un sistema di valutazione scientifico e non politico, che prevede che ogni proposta di ricerca venga valutata da altri fisici. Un sistema basato sulla competizione ma anche sulla collaborazione tra colleghi.

In questi ultimi anni è diventato estremamente importante dedicarsi alla comunicazione per attrarre nuovi talenti e informare l’opinione pubblica. Sono tanti i mezzi che vengono utilizzati, per esempio gli scienziati più giovani per raccontare la Fisica fanno spesso dirette su Facebook, YouTube o utilizzano altri media.

Voglio ricordare Fabrizio Murtas, con cui ho lavorato tanti anni, che è stato un precursore di quella che in inglese viene chiamato ‘outreach’ (sensibilizzazione o divulgazione). È stato uno dei primi a occuparsi di divulgare la fisica verso il grande pubblico. Ha fatto tantissimo lavoro attraverso la rete, andando nelle scuole ed organizzando seminari, conferenze ed eventi. Va ringraziato come le persone che hanno collaborato con lui e che l’hanno seguito in questa preziosa attività.


Abbiamo scoperto che in questi giorni Liliana Cavani sta girando, vicino a Roma, un film la cui sceneggiatura è scritta insieme a Carlo Rovelli ed è ispirata al suo libro ‘L’ordine del Tempo’.

Penso che questo tipo di iniziative, che propongono modi diversi per raccontare l’attività scientifica, anche attraverso la finzione cinematografica, siano molto positive.

Tentare di far entrare la cultura scientifica nella società è importante, anche perché viviamo un periodo un po’ oscurantista come dimostra, ad esempio, quello che è successo durante la pandemia con i vaccini. 

C'era un'evidenza dell’importanza delle misure di contenimento alla diffusione del virus e della necessità di vaccinarsi tutti. Eppure in molti hanno messo in discussione fatti incontestabili ignorando le evidenze scientifiche. 

La scienza è qualcosa di positivo, ed è basata su un metodo oggettivo. Ad esempio possiamo discutere sulla fede religiosa, io sono credente ma tanti miei colleghi non lo sono, e ognuno può avere la propria opinione. Però rispetto al metodo scientifico non si possono avere opinioni diverse, è quello e basta. Si arriva alle conclusioni solo attraverso delle evidenze e si cambia opinione solo se nuove evidenze sperimentali le mettono in discussione.

È importante ribadirlo: la ricerca scientifica può andare avanti perché nella scienza ci sono sempre dubbi, ma è necessario mantenere il rigore scientifico. Quando ascolto certi dibattiti televisivi mi rendo conto che molti opinionisti dimenticano la grande conquista che il metodo scientifico rappresenta, esprimendo opinioni non verificate.

Ritornando al nostro discorso, è molto difficile riuscire ad andare al di là del Modello Standard: tante persone ci stanno lavorando, si stanno facendo tanti esperimenti confrontando la Teoria con i risultati ottenuti. Ma è molto difficile ottenere un cambio di paradigma, cioè definire una nuova concezione scientifica, un nuovo modo di pensare.

Anche i fisici possono avere le loro fantasie e i loro sogni ma una nuova Teoria per essere accettata, non solo deve descrivere bene un esperimento, ma deve descrivere bene anche tutti quelli collegati, altrimenti non può essere accettata.

L'elettromagnete Muon g-2, ora a Fermilab, è stato originariamente utilizzato per l'esperimento Muon g-2 al Brookhaven National Laboratory. Nel 2013, il magnete è stato trasportato da Long Island a Fermilab. Fotografia di Reidar Hahn

Hai parlato di sogni, ma per un fisico esiste il sogno di una nuova scoperta?

Non riesco ad immaginare quale ‘nuova fisica’ sia possibile. Preferisco non pensarci per evitare possibili condizionamenti mentali. Cerco di fare bene gli esperimenti, come l’esperimento Muon g-2 che ha la potenzialità di mettere in discussione il Modello Standard.

Va considerato che ci sono centinaia o forse migliaia di modelli di ‘nuova fisica’ che quasi quotidianamente vengono messi nel tritacarne degli esperimenti e la maggior parte di loro vengono rigettati perché falliscono alla verifica sperimentale, mentre qualcuno magari resiste un po’ per poi fallire alla successiva misura. È un gioco complesso. 

Le cose quindi non sono più quelle di 100 anni fa, quando Heisenberg sull'isola di Helgoland, come racconta Rovelli, ha un'intuizione e si appunta le sue formule sul quadernetto.

Oggi esiste una netta separazione tra sperimentazione e Teoria. Ormai anche noi fisici siamo molto specializzati. 100 anni fa un fisico riusciva a maneggiare entrambe le cose: ora o fa fisica sperimentale, oppure fisica teorica. In modo molto specialistico.

Cosa fanno gli studenti in Fisica teorica quando devono scrivere la tesi di laurea o di dottorato? Generalmente propongono un approfondimento teorico, solitamente un'estensione del ‘Modello Standard’, e poi lo sottopongono alla prova sperimentale. 

Con tutte le verifiche sperimentali esistenti non è facile pensare a qualcosa di nuovo e infatti c'è chi propone, come Carlo Rovelli, di approfondire i fenomeni che in parte già conosciamo e che ‘funzionano’ ma non capiamo del tutto come ad esempio la meccanica quantistica, piuttosto che addentrarsi in territori sconosciuti.

D’altronde entrambi i pilastri su cui si basa la conoscenza delle leggi della natura dovute alle scoperte rivoluzionarie del secolo scorso, e cioè la meccanica quantistica e la relatività, sono anti intuitive. Le scoperte scientifiche possono andare molto al di là dell'intuizione ma la cosa che sappiamo è che le ricadute di tutto questo processo molto complesso, ad esempio a livello tecnologico, sono enormi.

Ci sono due livelli di ricadute. Il primo livello riguarda la ricaduta che probabilmente la nostra generazione non vedrà raggiunta ed è quella della conoscenza pura. Per fare un esempio quando Heisenberg sull'isola di Helgoland ha scoperto la meccanica quantistica pensava alla conoscenza della materia, non certo a diodi, transistor, cellulari, ecc. che invece hanno avuto un grande impatto nella nostra società. Un telefono cellulare funziona infatti grazie a fenomeni quantistici.

Quindi una ‘nuova fisica’ provoca una trasformazione del pensiero umano e nel giro di vent'anni, o forse più, le ricadute tecnologiche fanno sì che la società si trasformi completamente. Basti pensare alla scoperta dell'elettricità che ha permesso di cambiare radicalmente il modo di vivere sostituendo la candela con la lampadina. Una vera rivoluzione culturale oltre che scientifica. 

Un secondo livello che è più immediato ha che fare con le ricadute tecnologiche nella società. La nostra sperimentazione si basa su tecnologie molto sofisticate che mettiamo a disposizione della collettività. Un esempio è il World Wide Web che è nato al CERN e che permette a miliardi di persone di essere in contatto quotidianamente. 

Agli scettici e a tutte le persone che non hanno capito bene a cosa serve la scienza, andrebbe spiegato che il metodo scientifico è quello che consente di realizzare il progresso. E che dietro ai risultati raggiunti ci sono persone, gli scienziati, che fanno una vita di sacrifici per contribuire a raggiungere quella conoscenza che porterà benefici a tutti, anche a loro.