Hugh David Politzer: lo studente universitario che ha riscritto la forza forte

Nel 1973, uno studente di dottorato di Harvard, ancora lontano anni da una cattedra universitaria, calcolò che i quark — le particelle che compongono protoni e neutroni — si comportano in modo opposto rispetto a quanto i fisici si aspettassero: più sono vicini tra loro, più la forza tra di essi diventa debole. Era un risultato talmente strano che Politzer inizialmente temette di aver commesso un errore. Non era così, e quella scoperta, ricavata autonomamente nello stesso momento da David Gross e Frank Wilczek a Princeton, avrebbe fatto vincere a tutti e tre gli studiosi il premio Nobel tre decenni più tardi.

Figlio di una famiglia di rifugiati nel Bronx

Hugh David Politzer è nato il 31 agosto 1949 a New York, in una famiglia segnata dalla propria storia di profughi: i suoi genitori erano fuggiti dalla Cecoslovacchia in Inghilterra nel 1939, prima dell'occupazione nazista, ed erano immigrati negli Stati Uniti dopo la seconda guerra mondiale. Frequentò la Bronx High School of Science, la celebre scuola pubblica che ha formato un numero straordinario di vincitori statunitensi del premio Nobel, diplomandosi nel 1966. Proseguì gli studi conseguendo la laurea in fisica presso l'Università del Michigan nel 1969, prima di trasferirsi ad Harvard per il dottorato, dove lavorò sotto la guida del fisico teorico Sidney Coleman e ottenne il PhD nel 1974.

Il calcolo che ha spiegato il confinamento dei quark

Il contributo fondamentale di Politzer arrivò prima ancora di completare il dottorato. Nel 1973, mentre era ancora uno studente, calcolò cosa accade alla forza nucleare forte — la forza che tiene uniti i quark all'interno di protoni e neutroni — man mano che la distanza tra i quark diminuisce. L'intuizione convenzionale, derivata da forze come l'elettromagnetismo e la gravità, suggeriva che le interazioni dovessero rafforzarsi a breve distanza. Politzer scoprì l'opposto: la forza forte in realtà si indebolisce man mano che i quark si avvicinano, una proprietà che prese il nome di libertà asintotica. Nello stesso momento e in modo del tutto indipendente, David Gross e il suo studente di dottorato Frank Wilczek a Princeton giunsero alla medesima conclusione. L'articolo pubblicato da Politzer, apparso insieme al lavoro di Gross e Wilczek su Physical Review Letters nel 1973, risolse un vero e proprio paradosso della fisica delle particelle: spiegò come la forza forte potesse sia trattenere i quark in un confinamento permanente all'interno di particelle come i protoni, sia comportarsi come se quasi non esistesse negli esperimenti di collisione ad alta energia condotti all'epoca — poiché alle distanze estremamente brevi esplorate da quelle collisioni ad alta energia, la forza si allenta. La scoperta diventò un pilastro fondante della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive l'interazione forte.

Da Junior Fellow a professore al Caltech

Dopo aver completato il dottorato, Politzer trascorse tre anni, dal 1974 al 1977, come Junior Fellow della Harvard Society of Fellows, una posizione post-dottorato altamente selettiva che concede ai giovani studiosi la libertà dalle mansioni didattiche per dedicarsi interamente alla ricerca. Si trasferì poi al California Institute of Technology (Caltech), entrandovi prima come Visiting Associate nel 1975, ottenendo la cattedra di ruolo nel 1976 e diventando professore ordinario nel 1979. Fu direttore del dipartimento di fisica del Caltech dal 1986 al 1988 e in seguito ricoprì il titolo di Richard Chace Tolman Professor di Fisica Teorica. Oltre alla libertà asintotica, Politzer lavorò anche con Thomas Appelquist su previsioni teoriche relative al mezonil charmonio, uno stato legato di un quark charm e del suo antiquark, contribuendo ulteriormente al giovane campo della fisica dei quark negli anni Settanta.

Un premio Nobel, decenni dopo

Il premio Nobel per la Fisica del 2004 fu assegnato congiuntamente a Politzer, David Gross e Frank Wilczek "per la scoperta della libertà asintotica nella teoria dell'interazione forte", riconoscendo un lavoro che tutti e tre avevano completato nel 1973, oltre trent'anni prima — a dimostrazione di quanto tempo il comitato per il Nobel a volte attenda per confermare che un risultato teorico abbia resistito a decenni di verifiche sperimentali. Politzer aveva già ottenuto precedenti riconoscimenti per lo stesso lavoro, tra cui il Premio Sakurai per la fisica teorica delle particelle nel 1986 e il Premio per la fisica delle alte energie della Società Europea di Fisica nel 2003, e fu in seguito eletto all'American Academy of Arts and Sciences nel 2011.

Un fisico fuori dagli schemi

Gli interessi di Politzer al di fuori della fisica delle particelle sono stati insolitamente pubblici per un teorico. Suona il banjo e ha condotto ricerche sulla fisica degli strumenti a corda, applicando la sua preparazione scientifica a un hobby. Negli anni Ottanta è stato il cantante di un gruppo dal nome ironico, "Professor Politzer and the Rho Mesons", un gioco di parole sulla particella subatomica. Ha anche fatto un'inaspettata apparizione cinematografica nel film hollywoodiano del 1989 Fat Man and Little Boy, incentrato sul Progetto Manhattan, interpretando il fisico Robert Serber — il che gli attribuisce, secondo un certo calcolo, un numero di Erdős-Bacon pari a cinque, una goliardica misura che combina la distanza di collaborazione accademica con quella di recitazione cinematografica.

Perché Hugh è considerato un genio

La genialità di Politzer si basa su un singolo calcolo fortemente controintuitivo eseguito quando era ancora uno studente, un calcolo che andava direttamente contro l'intuizione fisica che ogni altra forza della natura aveva insegnato ai fisici ad aspettarsi. Scoprire che una forza diventa più debole anziché più forte a breve distanza richiedeva sia una padronanza tecnica della matematica ancora giovane della teoria quantistica dei campi, sia una sufficiente indipendenza mentale da fidarsi di una risposta che, a prima vista, sembrava dover essere sbagliata. La complicazione più schietta di questa storia è che la scoperta non fu unicamente sua: David Gross e Frank Wilczek giunsero alla stessa conclusione in modo indipendente e nello stesso identico momento, e la decisione del comitato per il Nobel di dividere il premio in tre parti riflette tale simultaneità piuttosto che una diminuzione del contributo di Politzer. Questo tipo di scoperta quasi simultanea è comune in fisica quando un campo è pronto per un'idea, e non cancella il risultato quanto piuttosto lo contestualizza: l'intuizione di Politzer non fu un isolato bagliore di genio individuale, bensì la prima e più nitida formulazione di una conclusione che la matematica sottostante della cromodinamica quantistica stava, in un certo senso, aspettando che qualcuno notasse.

Eredità

La libertà asintotica rimane una delle idee portanti del Modello Standard della fisica delle particelle, alla base dei calcoli moderni su come si comportano quark e gluoni all'interno di protoni, neutroni e nei detriti delle collisioni ad alta energia in impianti come il Large Hadron Collider. Politzer ha proseguito la sua carriera al Caltech per decenni dopo la scoperta che lo rese celebre, lasciando un corpus di studi di fisica teorica affiancato da un insieme insolitamente eclettico di attività extra-scientifiche, dall'acustica del banjo a un ruolo cinematografico secondario in uno dei drammi hollywoodiani sul Progetto Manhattan.