Negli anni ’70 la teoria elettrodebole di Glashow, Weinberg e Salam era già stata formulata; purtroppo i processi deboli dovuti alle interazioni delle correnti neutre, cioè quei processi mediati dal bosone Z˚, non avevano ancora ricevuto una conferma sperimentale. La teoria, quindi, non era accettata da tutti i fisici.

Nel 1973 in una camera a bolle a liquido pesante, Gargamelle, furono scoperte le interazioni deboli fra correnti neutre. Questa scoperta è considerata una pietra miliare nella storia della fisica delle interazioni deboli: essa ebbe il merito di rendere credibile la teoria elettrodebole di Glashow, Weinberg e Salam, spazzando via tutte le teorie alternative formulate senza il bosone Z˚. Rubbia, che in quegli anni partecipava ad un esperimento con fasci di neutrini di alta energia al Fermi National Laboratory di Batavia in Illinois, confermò immediatamente questa scoperta.

Lo studio dettagliato di questo nuovo tipo di interazione permise di misurare direttamente un parametro della teoria, l’angolo di Weinberg, che era l’ultima incognita per calcolare il valore delle masse dei bosoni intermedi. La predizione sui valori delle masse era di circa 80 GeV per il W± e 90 GeV per lo Z˚. Queste particelle erano troppo pesanti per essere prodotte dagli acceleratori allora in funzione. Di qui l’idea di Carlo Rubbia: trasformare il Super Sincrotrone a Protoni (SPS), già in funzione al Centro Europeo Ricerche Nucleari (CERN) da diversi anni, in un anello di collisione protone-antiprotone ( ) grazie al quale i bosoni intermedi furono misurati sei o sette anni prima del previsto.

Nel 1977 ero Direttore della Divisione di Fisica Sperimentale del CERN di Ginevra. Carlo Rubbia, che faceva parte della Divisione, entrò un giorno nel mio ufficio e cominciò a spiegarmi un suo progetto. Questo avveniva frequentemente poiché Rubbia è un fisico dotato di una grande immaginazione ed esplora continuamente la possibilità di realizzare nuovi esperimenti. Quel giorno era particolarmente eccitato. Compresi subito che aveva qualcosa di importante da dirmi. Mi spiegò la sua idea: trasformare l’acceleratore di protoni, lo SPS, in un anello di collisione protone-antiprotone per produrre i bosoni vettoriali W± e Z˚ in quantità sufficiente sia per verificarne l’esistenza, sia per misurarne alcune delle proprietà fondamentali, quali, per esempio, la loro massa. Per ottenere la luminosità sufficiente per produrre i bosoni vettoriali occorreva ottenere un numero adeguato di antiprotoni con energia uguale all’energia dei protoni. Per generare un fascio intenso di antiprotoni bisognava prima di tutto raffreddare il fascio di antiprotoni. Il raffreddamento permette di ottenere un fascio di alta densità. Esistono due metodi possibili per raffreddare un fascio di antiprotoni: uno concepito da Simon van der Meer del CERN e l’altro da Gersh Itskovish Budker di Novosibirsk. Rubbia mi spiegò molti dettagli; aveva fatto numerosi calcoli e si era convinto che fosse possibile ottenere nello SPS collisioni protoni-antiprotoni ( ) di 270 GeV di energia per fascio, raggiungendo, quindi, una energia nel centro di massa di 540 GeV, circa un fattore dieci maggiore di ogni altro acceleratore esistente.

Il piano era grandioso, ben ideato e, se messo in esecuzione con successo, poteva permettere di esplorare regioni di altissime energie con una spesa relativamente modesta. Avrebbe quindi permesso di verificare la validità della teoria elettrodebole e l’esistenza dei bosoni vettoriali W± e Z˚ che, con il fotone, descrivono l’interazione elettrodebole.

L’idea di Rubbia richiedeva alcune verifiche prima di poter essere approvata e finanziata; tra queste la più importante era quella di verificare sperimentalmente quale sistema di raffreddamento scegliere. Per poter fare questa verifica avrei dovuto mettere a disposizione di Rubbia una piccola somma iniziale e concedere l’uso dell’anello di accumulazione di muoni che avevo costruito, insieme a Guido Petrucci, e utilizzato per misurare l’anomalia del momento magnetico del muone con grande precisione. Questo anello di accumulazione doveva essere modificato da Petrucci per adattarlo a una nuova funzione: accumulare protoni per scegliere i parametri di funzionamento del raffreddamento stocastico di Van der Meer. Questa versione modificata dell’anello di accumulazione di muoni fu chiamata Initial Cooling Experiment (ICE). L’esperimento fu un grande successo poiché dimostrò la validità del raffreddamento stocastico, verificò la teoria di Van der Meer su un vasto intervallo di parametri. Consentì, inoltre, di misurare la vita media di un fascio di antiprotoni. Sulla base dei risultati ottenuti da ICE fu progettato e costruito un anello d’accumulazione (AA) negli anni 1977 e 1978.

A questo punto è bene dare un’idea della complessità del progetto. I fasci di protoni e antiprotoni rotanti in senso opposto nello SPS vengono generati al CERN come prodotti finali di una sequenza di eventi in vari acceleratori tra loro collegati. Dapprima un fascio di protoni viene accelerato fino ad un’energia di 26 GeV (venti miliardi di elettronvolt) nel Protosincrotrone (PS) del CERN. I protoni vengono poi indirizzati su un bersaglio metallico producendo, tra l’altro, alcuni antiprotoni con un’energia di 3,5 GeV. Gli antiprotoni vengono raccolti e trasferiti nell’accumulatore di antiprotoni (AA), dove vengono combinati con antiprotoni iniettati precedentemente e concentrati in densi pacchetti formati da centinaia di miliardi di particelle. I pacchetti di antiprotoni vengono rinviati nell’anello PS, dove vengono accelerati a 26 GeV. Gli antiprotoni da 26 GeV vengono poi iniettati nell’anello dello SPS, nel quale stanno già ruotando in senso opposto protoni con la stessa energia. Infine, i due fasci vengono entrambi accelerati nello SPS a 270 GeV. Due rivelatori di particelle sono disposti in due lunghe sezioni dritte dell’anello SPS, nelle quali i fasci circolanti in senso opposto vengono fatti interagire.

Com’è facile immaginare queste operazioni richiedono una notevole precisione. L’accumulatore di antiprotoni, per esempio, realizza due funzioni essenziali: “ammucchia” i pacchetti di antiprotoni iniettati in successione e li raffredda con un processo stocastico inventato da Simon van der Meer. Entrambe queste operazioni richiedono l’impiego di tecnologie estremamente sofisticate.

Gli apparati sperimentali che sono stati costruiti per rivelare i bosoni intermedi sono due, uno diretto da Rubbia e un altro da Pierre Darriulat. L’apparato di Rubbia era lungo dieci metri e largo cinque e il suo peso totale era di 2.000 tonnellate. Era installato in una sala sotterranea a circa 25 metri di profondità e la sala sperimentale era sufficientemente grande da consentire di trasportare l’elemento sperimentale su rotaie in un “garage” quando non doveva trovarsi sulla traiettoria dei fasci in collisione. La realizzazione dell’apparato sperimentale implicò la collaborazione di più di 100 fisici di undici istituzioni europee e statunitensi. Il rivelatore (noto con la sigla UA1) era un dispositivo versatile progettato per essere sensibile a molti tipi di particelle e raccogliere informazioni in un ampio angolo solido attorno al punto in cui i fasci entrano in collisione. In esso i fisici possono misurare l’energia delle particelle in molti modi, in particolare in base alla curvatura delle loro traiettorie in un campo magnetico. Un dipolo magnetico originava un campo magnetico orizzontalmente in un volume di 80 m3. All’interno del magnete sono disposti vari dispositivi con funzioni diverse, tutte realizzate facendo uso di tecniche molto avanzate e in molti casi innovative. L’analisi dei dati ha richiesto soluzioni veramente innovative.

L’altro rivelatore (UA2) diretto da Pierre Darriulat e Luigi Dilella aveva un disegno diverso da UA1, e anch’esso aveva lo scopo di rivelare i bosoni intermedi. Ambedue gli esperimenti sono estremamente complessi e ambedue hanno ottenuto importanti risultati.

Il W fu rivelato da entrambi gli esperimenti UA1 e UA2 durante il secondo periodo di presa dati nell’autunno 1982; nella primavera 1983 fu osservato il decadimento dello Z˚ in una coppia elettrone-positrone in UA1 e UA2 e in una coppia di muoni solo in UA1. L’analisi dei dati raccolti nei due periodi di funzionamento (1982 e 1983) ha fornito un centinaio di eventi W e 17 eventi Z˚. Le proprietà di queste particelle erano in eccellente accordo con le previsioni della teoria elettrodebole.

Il numero totale di W e Z che sono stati misurati durante il periodo di funzionamento dell'anello di collisione protone-antiprotone è di diverse centinaia di W e di un centinaio di Z. Esso ha funzionato dal 1981 al 1990.

Le ricerche e gli esperimenti concepiti da Rubbia aprivano nuove prospettive, come sottolineò il prof. Gösta Espong della Reale Accademia delle Scienze di Svezia nella conclusione del suo discorso in occasione dell’assegnazione del premio a Rubbia e a Van der Meer: «La scoperta di W e Z non è la conclusione – è l’inizio».

Qualche anno dopo (1989), infatti, entrò in funzione il Large Electron-Positron Collider (LEP) al CERN. Nei suoi dieci anni di funzionamento LEP ha prodotto 17 milioni di Z˚ e centinaia di migliaia di W. Questa copiosa produzione di bosoni vettoriali ha permesso di comprendere meglio e di verificare la validità del Modello Standard della teoria elettrodebole.