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Ecco i i cinque premi Nobel per la fisica più importanti del 21° secolo
Quali sono stati i premi più significativi per la fisica del 21° secolo? Durante questo periodo, il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato 25 volte ed è andato a 68 persone diverse, con una media di circa 2,7 persone per premio.
Nel corso dei 125 anni trascorsi dalla prima assegnazione del premio, quasi tutte le scoperte fondamentali della fisica sono state premiate, dalla scoperta dell’elettrone, del neutrino e del positrone allo sviluppo della meccanica quantistica e all’osservazione della superconduttività ad alta temperatura.
Ma quali sono stati i premi più significativi per la fisica del 21° secolo? Durante questo periodo, il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato 25 volte ed è andato a 68 persone diverse, con una media di circa 2,7 persone per premio.
Oscillazione del neutrino – premio 2015
Al quinto posto nella nostra lista dei migliori Nobel per la fisica del 21° secolo c’è la scoperta dell’oscillazione dei neutrini, che è andata a Takaaki Kajita e Art McDonald nel 2015.
Il neutrino è stato ipotizzato per la prima volta da Wolfgang Pauli nel 1930 come “un rimedio disperato” al fatto che l’energia non sembrava essere conservata quando un nucleo emette un elettrone tramite decadimento beta.
Fred Reines e Clyde Cowan avevano vinto un premio Nobel nel 1995 per la scoperta originale dei neutrini stessi, che sono particelle prive di carica che interagiscono con la materia attraverso la forza debole e sono diabolicamente difficili da rilevare.
Inoltre, la scoperta dell’oscillazione dei neutrini ha spiegato perché Ray Davies e John Bahcall avevano visto solo un terzo dei neutrini solari previsti dalla teoria nel loro famoso esperimento del 1964.
Questa discrepanza è nata perché i neutrini solari oscillano tra i sapori mentre viaggiano verso la Terra e il loro esperimento ne aveva rilevato solo un terzo in quanto era sensibile principalmente ai neutrini elettronici, non agli altri tipi.
Condensazione di Bose-Einstein – Premio 2001
Al quarto posto nella nostra lista dei migliori premi Nobel per la fisica del 21° secolo c’è il premio del 2001, che è andato a Eric Cornell, Wolfgang Ketterle e Carl Wieman per aver creato i primi condensati di Bose-Einstein (BEC).
Cornell e Wieman hanno creato un nuovo stato della materia – in cui le particelle sono bloccate insieme nel loro stato quantistico più basso – esattamente alle 10.54 di lunedì 5 giugno 1995 presso il laboratorio JILA di Boulder, in Colorado.
Immaginato per la prima volta da Satyendra Nath Bose e Albert Einstein nel 1924, Cornell e Wieman crearono il primo BEC raffreddando 2000 atomi di rubidio-87 a 170 nK utilizzando le nuove tecniche di raffreddamento laser e evaporativo.
Nel giro di pochi mesi, Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology ha anche realizzato un BEC da 500.000 atomi di sodio-23 a 2 μK.
Da allora centinaia di gruppi in tutto il mondo hanno creato BEC, che sono stati utilizzati per qualsiasi cosa, dal rallentamento della luce alla creazione di “laser atomici” e persino alla modellazione del comportamento dei buchi neri.
Inoltre, le interazioni tra gli atomi possono essere controllate con precisione, il che significa che i BEC possono essere utilizzati per simulare le proprietà dei sistemi di materia condensata che sono estremamente difficili – o impossibili – da sondare nei materiali reali.
Bosone di Higgs – Premio 2013
Al terzo posto c’è il premio del 2013, che è andato a François Englert e al compianto Peter Higgs per aver scoperto il meccanismo con cui le particelle subatomiche ottengono massa. Il loro lavoro è stato confermato nel 2012 dalla scoperta del cosiddetto bosone di Higgs presso gli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider del CERN.
Higgs ed Englert non hanno vinto, ovviamente, per aver rilevato il bosone di Higgs, anche se la citazione del Nobel accredita i team ATLAS e CMS nella sua citazione.
Ciò di cui sono stati accreditati è il lavoro svolto nei primi anni ’60, quando hanno pubblicato articoli indipendenti l’uno dall’altro che fornivano un meccanismo attraverso il quale le particelle possono avere le masse che osserviamo.
Higgs aveva studiato la rottura spontanea della simmetria, che portò alla nozione di particelle prive di massa e portatrici di forza, note come bosoni di Goldstone.
Ma ciò che Higgs capì fu che i bosoni di Goldstone non si verificano necessariamente quando una simmetria viene rotta spontaneamente: potrebbero essere reinterpretati come uno stato quantistico aggiuntivo (polarizzazione) di una particella portatrice di forza.
I termini rimanenti nelle equazioni rappresentavano una particella massiccia – il bosone di Higgs – che evita la necessità di una particella non osservata senza massa.
Scrivendo nel suo ormai famoso articolo del 1964 (Phys. Rev. Lett. 13 508), Higgs ha evidenziato la possibilità di un massiccio bosone con spin zero, che è ciò che è stato scoperto al CERN nel 2012.
Quell’opera probabilmente ha attirato l’attenzione dei media più di tutti i premi Nobel di questo secolo, perché chi non ama un’enorme collaborazione internazionale che rintraccia una particella nel più grande esperimento di fisica di tutti i tempi?
Soprattutto perché il Modello Standard non prevede quale dovrebbe essere la sua massa, quindi è difficile sapere dove cercare.
Ma non occupa il primo posto nel mio libro perché ha “solo” confermato ciò che ci aspettavamo e siamo ancora alla ricerca di “nuova fisica” oltre il Modello Standard.
Energia oscura – Premio 2011
Al secondo posto nella nostra lista c’è la scoperta che l’espansione dell’universo non sta rallentando, ma accelerando, grazie agli studi sulle stelle che esplodono chiamate supernove.
Come per molti premi Nobel di questi tempi, il premio 2011 è andato a tre persone: Brian Schmidt, che ha guidato il team di ricerca delle supernovae High-Z, e il suo collega Adam Riess, e a Saul Perlmutter che ha guidato il progetto rivale Supernova Cosmology Project.
La loro è stata una scoperta piuttosto sensazionale che implicava che circa tre quarti del contenuto di massa-energia dell’universo doveva essere costituito da una strana sostanza gravitazionalmente repulsiva, soprannominata “energia oscura”, di cui ancora oggi non sappiamo praticamente nulla. In precedenza si era ipotizzato che l’universo, a seconda della quantità di materia che contiene, sarebbe collassato in un grande momento di crisi o avrebbe continuato ad espandersi all’infinito, anche se a un ritmo sempre più lento.
I team avevano studiato le supernove di tipo 1a, che esplodono sempre allo stesso modo quando raggiungono la stessa massa, il che significa che possono essere utilizzate come “candele standard” per misurare con precisione la distanza nell’universo.
Tali supernove sono molto rare e i due gruppi hanno dovuto effettuare indagini scrupolose utilizzando telescopi terrestri e il telescopio spaziale Hubble per trovarne abbastanza.
I team pensavano di scoprire che l’espansione dell’universo sta decelerando, ma man mano che si accumulavano sempre più dati, i risultati sembravano avere senso solo se l’universo ha una forza che spinge la materia a parte.
L’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha dichiarato che la scoperta è stata “altrettanto significativa” del premio del 2006, che era andato a John Mather e al compianto George Smoot per la loro scoperta nel 1992 delle minuscole variazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo, i resti fossili delle strutture su larga scala nell’universo di oggi.
Ma per me, l’accelerazione dell’espansione ha un vantaggio in quanto le implicazioni sono ancora più profonde, indicando la composizione e il destino del cosmo.
Onde gravitazionali – Premio 2017
E infine, il vincitore del più grande premio Nobel per la fisica del 21° secolo è il premio del 2017, che è andato a Barry Barish, Kip Thorne e al compianto Rainer Weiss per la scoperta delle onde gravitazionali.
Non solo è il premio più recente della mia lista, ma è anche memorabile per essere stato un vero e proprio primo posto: scoprire le “increspature nello spazio-tempo” originariamente previste da Einstein.
I due rivelatori LIGO a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington, sono anch’essi sorprendenti prodezze ingegneristiche, in grado di rilevare cambiamenti di distanza più piccoli del raggio del protone.
La storia di come le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta è ormai ben nota.
Era nelle prime ore del mattino di lunedì 14 settembre 2015, subito dopo che il personale che aveva calibrato il rivelatore LIGO a Livingston era andato a letto, quando le onde gravitazionali create dalla collisione di due buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce di distanza hanno colpito i rivelatori LIGO negli Stati Uniti.
La storica misurazione soprannominata GW150914 ha colpito i titoli dei giornali di tutto il mondo.
Finora sono stati rilevati più di 200 eventi di onde gravitazionali e l’osservazione di queste increspature, che erano state a lungo nella lista dei desideri di molti fisici, nell’ultimo decennio è diventata quasi una routine.
La maggior parte delle rivelazioni di onde gravitazionali sono state fusioni binarie di buchi neri, sebbene ci siano state anche alcune collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri e alcune fusioni binarie tra stelle di neutroni.
L’astronomia delle onde gravitazionali è ormai un campo ben consolidato non solo grazie a LIGO, ma anche a Virgo in Italia e a KAGRA in Giappone. Ci sono anche piani per un telescopio Einstein ancora più avanzato, che potrebbe rilevare in un giorno ciò che LIGO ha impiegato un decennio per individuare.
Le onde gravitazionali hanno anche aperto l’intero nuovo campo dell’“astronomia multimessaggera” – l’idea di osservare un evento cosmico con onde gravitazionali e poi fare studi di follow-up utilizzando altri strumenti, misurandolo con raggi cosmici, neutrini e fotoni.
Ognuno di questi messaggeri cosmici è prodotto da processi distinti e quindi trasporta informazioni su diversi meccanismi all’interno della sua fonte.
I messaggeri differiscono anche ampiamente nel modo in cui trasportano queste informazioni all’astronomo: ad esempio, le onde gravitazionali e i neutrini possono passare attraverso la materia e i campi magnetici intergalattici, fornendo una visione senza ostacoli dell’universo a tutte le lunghezze d’onda.
Combinare le osservazioni di diversi messaggeri ci permetterà quindi di vedere di più e guardare più lontano.
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