CABIBBO, Nicola

CABIBBO, Nicola

Nacque a Roma il 10 aprile 1935, figlio di Emanuele, avvocato, e di una casalinga entrambi di origini siciliane. Fin da ragazzo s’interessò di astronautica, elettronica e matematica, ma anche di letteratura sulle spedizioni artiche, fantascientifica e americana, apprezzando soprattutto i romanzi di Theodore Dreiser, Ernest Hemingway e Herman Melville. Studiò al liceo classico Tasso, dopodiché s’iscrisse al corso di laurea in fisica all’Università di Roma La Sapienza, considerandola la «regina assoluta delle scienze» (frammento di intervista riportato da Romeo Bassoli in Nicola Cabibbo, «ScienzaPerTutti», 2002-2013,http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=905%3Anicola-cabibbo&Itemid=216). Nel 1958 si laureò con una tesi sulle interazioni deboli e il decadimento dei muoni, con relatore il professor Bruno Touschek che aveva assegnato una tesi comune a Cabibbo, Francesco Calogero e Paolo Guidoni.

Le prime ricerche ai Laboratori di Frascati

Il direttore dei Laboratori nazionali di Frascati dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), Giorgio Salvini, ritenne necessaria la presenza di un gruppo di fisica teorica a sostegno delle attività di ricerca sperimentale. Cabibbo fu il primo ricercatore assunto dall’INFN come fisico teorico per i Laboratori di Frascati. In questo contesto, poté proseguire i suoi studi di carattere teorico rimanendo quotidianamente a contatto diretto con fisici sperimentali. Il primo lavoro pubblicato da Cabibbo (On the radiative decay of charged π-mesons, in Il Nuovo Cimento, 1959, vol. 11, pp. 837-842) fu ispirato da Raffaele Raoul Gatto, con il quale iniziò una lunga collaborazione, e riguardò i calcoli sui decadimenti dei pioni studiati allora da Carlo Castagnoli. Frequentò nel 1959 la scuola estiva Enrico Fermi di Varenna con Sheldon Lee Glashow, e nel 1961 la scuola estiva di Edimburgo con Glashow e Peter Higgs.

Il panorama degli interessi di ricerca di Cabibbo in questi primi anni fu piuttosto ampio. Tra i principali risultati ci furono lo studio dei decadimenti deboli dei kaoni e degli iperoni (Leptonic decay modes of K-mesons and hyperons, in Il Nuovo Cimento, 1959, vol. 13, pp. 1086-1110, con R. Gatto), il calcolo delle possibili sezioni d’urto di fasci di neutrini (Cross sections of reactions produced by high energy neutrino beams, ibid., 1960, vol. 15, pp. 304-310, con R. Gatto), lo studio degli effetti della polarizzazione dei raggi γ sulla sezione d’urto di produzione di coppie nei cristalli (Absorption of γ-rays in crystals and the production and analysis of linearly polarized γ-rays, ibid., 1963, vol. 27, pp. 979-994, con G. Da Prato, G. De Franceschi, U. Mosco).

Ai Laboratori di Frascati, grazie alle idee di Bruno Touschek, le ricerche sugli acceleratori si orientarono verso la costruzione di una macchina che facesse urtare un fascio di particelle con un secondo fascio delle corrispondenti antiparticelle in moto in direzione opposta al primo. Tenuto conto delle energie che si volevano indagare, e delle conseguenti dimensioni della macchina, la scelta cadde su un acceleratore per elettroni e positroni. Nel 1960 fu costruito AdA (Anello di Accumulazione), seguito da Adone nel 1967, in grado di raggiungere una energia di 3 GeV nel sistema del centro di massa.

Già nel 1959, dopo un seminario tenuto da Wolfgang Panofsky a Roma, Cabibbo aveva studiato teoricamente un possibile risultato dell’urto tra elettroni e positroni, la produzione di due o tre pioni, le particelle mediatrici dell’interazione nucleare forte tra nucleoni (Pion form factors from possible high-energy electron-positron experiments, in Physical review letters, 1960, vol. 4, n. 6, pp. 313-314, con R. Gatto). Il contributo teorico fondamentale di Cabibbo sugli esperimenti condotti a Frascati venne nel 1961, quando, insieme a Gatto, effettuò un calcolo completo di tutti i risultati prevedibili delle collisioni tra elettroni e positroni. Per la sua importanza, il lavoro di Cabibbo e Gatto fu soprannominato dai fisici sperimentali 'la Bibbia' (Electron-positron colliding beam experiments, in Physical Review, 1961, vol. 124, pp. 1577-1595).

Cabibbo fece dei calcoli anche su effetti che all’epoca non potevano ancora essere confermati. Tra questi effetti è notevole la produzione delle particelle Z e delle coppie particella-antiparticella delle W, costituenti le correnti elettrodeboli, osservate in seguito al Centro europeo di ricerca nucleare (CERN) e che hanno portato all’assegnazione del premio Nobel per la fisica a Carlo Rubbia nel 1984.

Le ricerche sulle interazioni deboli

Dal 1962 al 1963 Cabibbo fu collaboratore alla ricerca e assistente al CERN e dal 1963 al 1964 ricercatore associato al Lawrence radiation laboratory a Berkeley. Le sue ricerche teoriche in questo periodo affrontarono più in generale lo studio delle particelle elementari tentando di dare una struttura fisicamente ben fondata alla loro classificazione. In questo modo contribuì alla creazione di concetti che entrarono a far parte dell’attuale Modello Standard delle particelle elementari. I tentativi di classificazione delle particelle elementari mettevano in evidenza simmetrie che emergevano, nella trattazione matematica del problema, dalla rappresentazione basata su matrici costituenti una struttura di gruppo. La ricerca teorica era focalizzata su quali matrici, e di conseguenza su quali gruppi, potessero descrivere al meglio le particelle elementari allora conosciute. Cabibbo iniziò le sue ricerche su questo tema lavorando su nove matrici 3x3 formanti un gruppo denotato con SU(3), il gruppo speciale unitario in tre dimensioni complesse.

Il primo lavoro di Cabibbo nel quadro offerto dal gruppo SU(3) si concentrò sulle interazioni nucleari deboli (Consequences of unitary symmetry for weak and electromagnetic transitions, in Il Nuovo Cimento, 1961, vol. 21, pp. 872-877, con R. Gatto). Egli mostrò quali fossero i limiti dell’applicazione ai decadimenti deboli del gruppo SU(3). Le differenze tra i risultati sperimentali e le previsioni teoriche erano eccessive. In particolare, andando a considerare i decadimenti che violavano la stranezza, non c'era corrispondenza tra i valori sperimentali e teorici dei tassi di decadimento degli iperoni (un insieme di particelle più pesanti del protone, trovate inizialmente nei decadimenti della radiazione cosmica). Un simile problema emergeva per i decadimenti dei kaoni. La stranezza era una caratteristica delle particelle elementari, che andava ad aggiungersi a quelle già note come la carica elettrica, la massa e lo spin. Era stata introdotta a causa di alcune anomalie osservate nel decadimento o nella produzione dei kaoni dal 1947.

Un altro problema, affrontato da Richard Feynman e Murray Gell-Mann, riguardava i decadimenti deboli dei neutroni e dei muoni, rimanendo inspiegate alcune discrepanze numeriche. Infine, un risultato sperimentale andava a complicare ulteriormente lo studio delle interazioni deboli, essendo stato osservato un unico caso di un inspiegabile decadimento con una variazione di stranezza pari all’opposto della variazione di carica elettrica. Cabibbo fu convinto da Paolo Franzini, della Columbia University, a ignorare quel risultato sperimentale non essendo mai stato più osservato.

Il mescolamento di Cabibbo

Mentre lavorava al CERN, le riflessioni di Cabibbo sulla stranezza lo portarono al suo principale contributo alla fisica delle particelle elementari: il cosiddetto mescolamento di Cabibbo (Unitary symmetry and leptonic decays, in Physical review letters, 1963, vol. 10, pp. 531-533). L’importanza di questo lavoro è testimoniata dall’elevatissimo numero di citazioni che ha conosciuto sulle principali riviste di fisica; si tratta di uno degli articoli più citati in assoluto nella moderna storia della disciplina.

Un solo parametro, l’angolo di Cabibbo, era sufficiente alla determinazione di una corrente debole (da cui il nome iniziale di mescolamento di corrente dato al mescolamento di Cabibbo) per la descrizione di qualsiasi decadimento debole. Veniva così risolta la discrepanza numerica tra i decadimenti deboli dei neutroni e dei muoni. La determinazione sperimentale dell’angolo di Cabibbo (pari a circa 13°) richiese l’esame di tutti i dati disponibili sui decadimenti deboli. Il seno e il coseno dell’angolo di Cabibbo permettevano di ottenere la probabilità di trasformazione di una particella strana in una particella non strana durante un’interazione debole con un’altra particella.

Pochi mesi dopo la pubblicazione dell’articolo di Cabibbo, la sua teoria poteva essere riletta nel nuovo linguaggio della fisica dei quark. In questo contesto teorico, Murray Gell-Mann e George Zweig sostennero l’esistenza di particelle non ancora osservate, con carica elettrica frazionaria: i quark con le corrispettive antiparticelle, gli antiquark. Le particelle allora ritenute elementari e interagenti tra loro con la forza nucleare forte (i barioni), come il protone e il neutrone, venivano ora viste come strutture composte da quark. Fino al 1974 si riteneva che tre quark – denominati up, down e strange – fossero sufficienti a descrivere le particelle elementari allora conosciute, rimanendo escluse quelle particelle che non interagiscono con la forza nucleare forte – come l’elettrone, il muone e i neutrini – che non sono pertanto costituite da quark. Le particelle potevano essere formate da un doppietto di quark, nel caso dei bosoni, oppure da una tripletta di quark, nel caso dei barioni. I due quark più leggeri, l’up e il down, permettevano di descrivere la struttura del protone (due up e un down) e del neutrone (un up e due down). Un terzo tipo di quark, il quark strange, doveva entrare nella composizione delle particelle strane, come nel caso dei kaoni formati da un quark e da un antiquark, di cui uno strange e uno up oppure down.

Il seno e il coseno dell’angolo di Cabibbo venivano ora collegati alla probabilità di trasformazione, ad esempio, di un quark strange in un quark up con l’emissione di un bosone W (corrente debole carica). Il particolare valore dell’angolo di Cabibbo faceva sì che i fenomeni dipendenti dal suo seno fossero meno probabili di quelli dipendenti dal suo coseno. Si poté così spiegare perché l’emissione di un bosone W trasformasse un quark down in un quark up con probabilità maggiore che in un quark strange.

Partendo dall’osservazione che i quark down e strange avevano la stessa carica elettrica (un terzo di quella dell’elettrone) e lo stesso accoppiamento alla forza nucleare forte, ma masse diverse, Cabibbo aveva di fatto proposto che i quark down e strange fossero due diverse manifestazioni degli autostati della forza nucleare forte. Questo mescolamento indicava per Cabibbo l’esistenza di una simmetria che suggeriva l’esistenza di un quarto quark che si potesse accoppiare analogamente con il quark up.

Il lavoro di Sheldon Lee Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani del 1970 (il meccanismo GIM) mostrò la necessità dell’esistenza del quarto quark suggerito dal lavoro di Cabibbo, con una nuova proprietà chiamata incanto (charme). L’evidenza sperimentale dell’esistenza di particelle contenenti il quark charm, nel 1974, portò successivamente al superamento della teoria SU(3) e alla sua sostituzione con la teoria SU(4). Fu così possibile estendere alle interazioni tra adroni la teoria unificata elettrodebole unificata di Steven Weinberg e Abdus Salam.

Il mescolamento tra due famiglie di doppietti di quark non permetteva però la spiegazione dell’occasionale violazione della simmetria congiunta di coniugazione di carica elettrica e parità (CP). Nel 1973 Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa teorizzarono un’estensione del mescolamento di Cabibbo aggiungendo altri due quark, il quark bottom e il quark top, ottenendo così una teoria con sei quark raggruppati in tre famiglie di doppietti, come nell’attuale Modello Standard. Con il loro modello teorico, Kobayashi e Maskawa furono in grado di prevedere la violazione CP. Tale violazione di simmetria rivestiva un’importanza notevole, non solo nella fisica delle particelle elementari, ma anche in cosmologia, in quanto era considerata necessaria per spiegare l’eccesso di materia rispetto all’antimateria nell'Universo. L’uguaglianza iniziale, dopo il big bang, delle quantità di materia e di antimateria, si sbilanciò verso un’asimmetria con prevalenza di materia. Essa poté così dar vita a un Universo con prevalenza di materia, che successivamente si è potuta aggregare arrivando a formare strutture macroscopiche sempre più grandi: nuclei, atomi, molecole, stelle, galassie e così via.

La descrizione matematica del mescolamento degli stati dei sei quark si basava sulla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (matrice CKM). I successivi esperimenti progettati per confermare la validità della matrice CKM hanno avuto esito positivo. La matrice CKM, inoltre, servì da modello per studi analoghi sulle famiglie di neutrini, con la corrispondente matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (matrice PMNS).

Le successive ricerche sulle particelle elementari

Cabibbo ritornò al CERN come ricercatore senior dal 1964 al 1966. Nel 1965 fu Loeb lecturer alla Harvard University e vinse il concorso di professore ordinario per la cattedra di fisica teorica dell’Università dell’Aquila. Già l’anno successivo si trasferì all’Università di Roma La Sapienza, dove rimase, sempre come professore ordinario di fisica teorica, fino al 1982. Dal 1969 coprì anche la cattedra di fisica delle particelle elementari. In questi anni fu visiting scientist al CERN (1973-74), Enrico Fermi professor alla University of Chicago (1975), visiting professor all’Université de Paris V, visiting professor alla New York University (1980-81). Inoltre fu membro del comitato scientifico-editoriale della rivista Il Nuovo Cimento (1967-1968), membro dell’Institute for advanced studies a Princeton (1970-1973), membro del comitato scientifico dell’Institut des hautes études scientifiques a Parigi.

A Roma, Cabibbo contribuì allo sviluppo di una scuola di fisica teorica dedita allo studio del Modello Standard delle particelle elementari. Continuando gli studi sulle interazioni tra elettroni e positroni, egli studiò il caso delle annichilazioni producenti adroni, interpretate in termini di particelle puntiformi contenute nei nucleoni (partoni) (Hadron production in e+e- collisions, in Lettere al Nuovo Cimento, 1970, vol. 4, n. 1, pp. 35-39, con G. Parisi, M. Testa). Il modello dei partoni gli servì per lo studio della densità dei partoni negli adroni in teoria di campo (The nucleon as a bound state of three quarks and deep inelastic phenomena, in Nuclear physics B, 1974, vol. 69, n. 3, pp. 531-556, con G. Altarelli, L. Maiani, R. Petronzio) e dello spettro degli elettroni da decadimento semileptonico del quark charm (The lifetime of charmed particles, in Physics letters B, 1978, vol. 79, pp. 109-111, con L. Maiani). Si interessò inoltre alla possibilità della violazione delle simmetrie CP e T nelle oscillazioni dei neutrini come dovrebbe accadere nel caso dell’esistenza di più di due tipi di neutrini (Time reversal violation in neutrino oscillation, ibid., 1978, vol. 72, pp. 333-335) e alle transizioni dei nuclei a uno stato di plasma formato da quark e gluoni (Exponential hadronic spectrum and quark liberation, ibid., 1975, vol. 59, pp. 67-69, con G. Parisi).

Tra scienze e politica della scienza

Nel 1982 Cabibbo lasciò l’Università di Roma La Sapienza per trasferirsi, sempre per l’insegnamento di fisica teorica, all’Università di Roma Tor Vergata. Dal 1985 al 1993 fu presidente dell’INFN (oltre che visiting professor alla Syracuse University dal 1986 al 1992). Sotto la sua presidenza furono inaugurati i Laboratori nazionali del Gran Sasso per lo studio delle astroparticelle e fu approvata la costruzione a Frascati di un nuovo acceleratore di elettroni-positroni, DAFNE (Double Annular Factory for Nice Experiments), per studiare la violazione della simmetria CP dei mesoni K da decadimento della particella φ.

Lasciata la presidenza dell’INFN, continuò l’attività di politica scientifica come presidente dell’Ente nazionale per le energie alternative (ENEA) dal 1993 al 1998. In tale veste si attivò per fondare il settore del Calcolo ad alte prestazioni per la ricerca e l’industria. In questo settore, insieme a Giorgio Parisi, fece implementare il progetto APE (Array Processor Experiment), con lo sviluppo dei supercalcolatori Quadrics da applicare alla soluzione di problemi di fisica teorica, soprattutto di cromodinamica quantistica, ma anche allo studio della dinamica atmosferica e oceanica. A differenza dell’elettrodinamica quantistica, per valori crescenti dell’energia delle interazioni la cromodinamica quantistica era sempre meno approssimabile in modo perturbativo e richiedeva calcoli sempre più lunghi e complessi. Per effettuare questi calcoli, si progettò una simulazione dello spazio con un reticolo tridimensionale di punti nei quali si determinava l’evoluzione nel tempo delle funzioni studiate dalla cromodinamica quantistica, per poi confrontare tale simulazione con i risultati sperimentali. Cabibbo diresse, a tale scopo, la realizzazione della famiglia di supercalcolatori Ape100 con una potenza computazionale di 100GFLOPS (Giga FLoating point Operations Per Second). I futuri sviluppi di Ape100 furono Ape1000 (1 Tera floating point operations per second) nel 1997 e ApeNext (12 TFLOPS) nel 2005.

Nel 1993 fu nominato da papa Giovanni Paolo II presidente della pontificia Accademia delle scienze, di cui era membro dal 1986. Si segnalò, in tale ruolo, per la sua attiva partecipazione a dibattiti sul creazionismo, nei quali sostenne sempre posizioni di totale appoggio alla conoscenza scientifica, difendendo al contempo la fede religiosa da quelle critiche che, a suo parere, erano il frutto di estrapolazioni improprie dei risultati conseguiti dalla ricerca scientifica sull’evoluzionismo. Nella prolusione all’anno giubilare del 2000 toccò alcuni temi di notevole interesse, tra i quali il problema etico delle ricerche scientifiche, in primis della manipolazione genetica, e la concentrazione nei Paesi ricchi delle ricerche scientifiche e delle loro ricadute economiche e sociali.

Nel 1994, lasciata l’Università di Roma Tor Vergata, tornò nuovamente all’Università di Roma La Sapienza per l’insegnamento di fisica delle particelle elementari. In questi anni fu membro del Scientific policy committee del CERN, della commissione scientifica dell’Istituto superiore di sanità, del Scientific council of joint research centre della Comunità economica europea (CEE), del Comitato per la fisica del CNR, del Fachbereit del Max-Planck-Institut für Physik, della National Academy of Sciences degli Stati Uniti.

Riconoscimenti

Fu insignito del Premio del presidente della Repubblica italiana per la classe di scienze fisiche dell’Accademia dei Lincei nel 1979, del J. Sakurai prize dell’American physical society nel 1989, del premio Natale di Roma nel 1989, del Premio cultura della presidenza del Consiglio italiano nel 1989 e nel 1999, della European physical society prize nel 1991, della medaglia d’oro ai benemeriti della scienza e cultura nel 1998, della medaglia Matteucci dell’Accademia nazionale delle scienze detta dei XL nel 2002, del premio Enrico Fermi della Società italiana di fisica nel 2003, della Dirac Medal dell’Abdus Salam international Institute for theoretical physics, della Benjamin Franklin Medal in physics del Franklin Institut nel 2011 (postuma). Fu nominato cavaliere dell’Ordine di gran croce al merito della Repubblica italiana il 2 giugno 1998.

Nel 2008 il premio Nobel per la fisica fu assegnato a Kobayashi e Maskawa «per la scoperta dell’origine della rottura di simmetria che predice l’esistenza di almeno tre famiglie di quark in natura (www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/). La mancata assegnazione anche a Cabibbo suscitò nella comunità scientifica internazionale numerose polemiche che questi, per quanto amareggiato, preferì sempre non commentare pubblicamente.

È a lui intitolato il Cabibbo-Lab nell’Università di Roma Tor Vergata. Progettato dall’INFN, sarà un laboratorio con un acceleratore di 1,2 km di circonferenza, il SuperB, per lo studio degli urti elettroni-positroni e della luce di sincrotrone emessa dagli elettroni per lo studio di processi biochimici e di strutture biologiche.

Dalla moglie Paola Iandolo, professore ordinario di letteratura nordamericana all’Università di Salerno, ebbe un figlio, Andrea, biologo molecolare.

Sofferente da anni di una malattia tumorale, morì all’ospedale Fatebenefratelli di Roma il 16 agosto 2010 in seguito a una crisi respiratoria.

Fonti e Bibliografia

Presso il Dipartimento di fisica della Sapienza-Università di Roma è conservato il fondo N. C., dono degli eredi (l’inventario è consultabile all’indirizzo http://catalogo.archividelnovecento.it/uniroma_fisica.htm).

M. Perricone, C. takes his place in the world, in Fermi News, 1999, vol. 22, n. 20, p. 6; Fisici italiani del tempo presente. Storie di vita e di pensiero, a cura di L. Bonolis - M.G. Melchionni, Venezia 2003, pp. 45-66; L. Maiani, N. C. (1935-2010), in Nature, 2010, vol. 467, p. 284; Id., Universality of the weak interactions, C. theory and where they led us, in Rivista del Nuovo Cimento, 2011, vol. 34, p. 679-693; G. Parisi, N. C., in Il contributo italiano alla storia del pensiero - Scienze, Roma 2013, pp. 760-764.