Hugh David Politzer: Lo studente di dottorato che ha riscritto la forza forte

Nel 1973, uno studente di dottorato di Harvard, lontano anni da un posto di docente, scoprì che i quark — le particelle che compongono protoni e neutroni — si comportano in modo opposto a quanto i fisici si aspettassero: più sono vicini, più la forza tra loro è debole. Fu un risultato così strano che Politzer temette inizialmente di aver commesso un errore. Non fu così, e la scoperta, realizzata indipendentemente nello stesso momento da David Gross e Frank Wilczek a Princeton, sarebbe valsa a tutti e tre il Premio Nobel tre decenni dopo.

Figlio di una famiglia di rifugiati nel Bronx

Hugh David Politzer è nato il 31 agosto 1949 a New York, in una famiglia con la propria storia di spostamenti: i suoi genitori erano fuggiti dalla Cecoslovacchia in Inghilterra nel 1939, prima dell'occupazione nazista, ed erano emigrati negli Stati Uniti dopo la Seconda Guerra Mondiale. Ha frequentato la Bronx High School of Science, la celebre scuola pubblica che ha prodotto una parte sproporzionata di premi Nobel americani, diplomandosi nel 1966. Ha proseguito gli studi all'Università del Michigan per ottenere la laurea in fisica, completata nel 1969, prima di trasferirsi ad Harvard per gli studi di dottorato, dove ha lavorato sotto la guida del fisico teorico Sidney Coleman e ha conseguito il dottorato nel 1974.

Il calcolo che ha spiegato il confinamento dei quark

Il contributo decisivo di Politzer arrivò prima ancora che terminasse il dottorato. Nel 1973, ancora studente di dottorato, 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 il contrario: la forza forte si indebolisce man mano che i quark si avvicinano, una proprietà che è stata chiamata libertà asintotica. Allo stesso tempo e in modo del tutto indipendente, David Gross e il suo studente di dottorato Frank Wilczek a Princeton giunsero alla stessa conclusione. L'articolo pubblicato da Politzer, insieme al lavoro di Gross-Wilczek, apparve su Physical Review Letters nel 1973 e risolse un vero paradosso nella fisica delle particelle: spiegava come la forza forte potesse mantenere i quark confinati permanentemente all'interno di particelle come i protoni, e tuttavia comportarsi come se quasi non esistesse negli esperimenti di collisione ad alta energia che i fisici conducevano all'epoca — perché alle distanze estremamente brevi sondate da quelle collisioni, la forza diventa debole. La scoperta divenne un pilastro fondamentale della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive l'interazione forte.

Da borsista junior a professore al Caltech

Dopo aver completato il dottorato, Politzer ha trascorso tre anni, dal 1974 al 1977, come borsista junior presso la Harvard Society of Fellows, una posizione post-dottorato altamente selettiva che libera i giovani accademici dagli incarichi di insegnamento per dedicarsi alla ricerca. Si è poi trasferito al California Institute of Technology (Caltech), entrando inizialmente come professore associato in visita nel 1975, ottenendo la cattedra nel 1976 e diventando professore ordinario nel 1979. È stato direttore esecutivo del dipartimento di fisica del Caltech dal 1986 al 1988 e ha infine ricoperto il titolo di Richard Chace Tolman Professor di Fisica Teorica. Oltre alla libertà asintotica, Politzer ha lavorato anche con Thomas Appelquist su previsioni teoriche relative al charmonio, uno stato legato di un quark charm e del suo antiquark, contribuendo ulteriormente al giovane campo della fisica dei quark negli anni '70.

Un Premio Nobel, decenni dopo

Il Premio Nobel per la Fisica 2004 è stato 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, più di trent'anni prima — un promemoria di quanto tempo il comitato Nobel attenda a volte per confermare che un risultato teorico abbia resistito a decenni di esame sperimentale. Politzer aveva già ricevuto riconoscimenti precedenti 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, ed è stato successivamente eletto membro dell'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 formazione professionale a un hobby. Negli anni '80 è stato il cantante principale di una band dal nome ironico, "Professor Politzer and the Rho Mesons", un gioco di parole sulla particella subatomica. Ha anche fatto un'apparizione inaspettata sullo schermo nel film di Hollywood del 1989 Fat Man and Little Boy, sul Progetto Manhattan, interpretando il fisico Robert Serber — il che gli ha dato, secondo un calcolo, un numero di Erdős-Bacon di cinque, una misura ironica che combina la distanza di collaborazione accademica con la distanza di collaborazione nella recitazione cinematografica.

Perché Hugh è chiamato genio

Il caso del genio di Politzer si basa su un calcolo unico e fortemente controintuitivo effettuato quando era ancora studente, che andava direttamente contro l'intuizione fisica che ogni altra forza della natura aveva abituato i fisici ad aspettarsi. Scoprire che una forza diventa più debole anziché più forte a breve distanza richiedeva sia la padronanza tecnica della matematica ancora giovane della teoria quantistica dei campi, sia sufficiente indipendenza mentale per fidarsi di una risposta che, a prima vista, sembrava errata. La complicazione più onesta della storia è che la scoperta non fu unicamente sua: David Gross e Frank Wilczek giunsero alla stessa conclusione indipendentemente e sostanzialmente nello stesso momento, e la decisione del comitato Nobel di dividere il premio in tre riflette quella simultaneità piuttosto che una diminuzione del lavoro di Politzer. Quel tipo di scoperta quasi simultanea è comune in fisica quando un campo è pronto per un'idea, e non cancella il risultato tanto quanto lo contestualizza: l'intuizione di Politzer non fu tanto un lampo isolato di genialità individuale quanto la più acuta articolazione precoce 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 quark e gluoni si comportano all'interno di protoni, neutroni e dei detriti delle collisioni di particelle ad alta energia in strutture come il Large Hadron Collider. Politzer ha continuato la sua carriera al Caltech per decenni dopo la scoperta che lo ha reso famoso, lasciando dietro di sé un corpus di lavori in fisica teorica eguagliato da un insieme insolitamente eclettico di attività esterne, dall'acustica del banjo a un ruolo di supporto in uno dei drammi di Hollywood sul Progetto Manhattan.