I suoi studi sull'interazione debole, nati per spiegare il comportamento delle particelle strane, hanno permesso, grazie all'ampliamento dell'idea originaria da lui proposta nel 1963, di formulare l'ipotesi dell'esistenza di almeno tre famiglie di quark. Questa ipotesi è stata utilizzata per spiegare, grazie all'introduzione della Matrice CKM, la violazione della simmetria CP.
Al momento della morte era professore ordinario di fisica delle particelle elementari all'Università la Sapienza di Roma, città in cui viveva e conduceva le sue ricerche, focalizzate sullo studio della QCD su reticolo e sulla progettazione di array di computer nell'ambito del progetto APEnext. Nella qualità di presidente della Pontificia accademia delle scienze, che ha compito di consigliare il pontefice su tutte le tematiche scientifiche, è intervenuto in diverse occasioni nei dibattiti etici e in quelli sul rapporto fra fede e scienza.
Biografia Figlio di un avvocato e di una casalinga, visse l'infanzia durante la seconda guerra mondiale. Durante gli anni dell'istruzione scolastica, che era garantita anche nella Roma occupata, venne colpito dall'astronomia e si interessò a come costruire apparecchiature radio. Proprio grazie a queste passioni, che gli fecero nascere il desiderio di scoprire l'ignoto, e della lettura di un libro di testo liceale, intitolato ’’Cos'è la matematica’’, fu indotto agli studi scientifici. Durante gli anni successivi alla fine del conflitto mondiale sviluppa una passione per la letteratura americana e frequenta regolarmente la biblioteca dell'ambasciata degli Stati Uniti d'America per prendere libri in prestito. Questa sua passione era condivisa dalla moglie, docente di letteratura americana contemporanea all'Università di Roma. Altre sue grandi passioni erano il mare e la barca a vela.
Cabibbo si laurea in fisica nel 1958 con una tesi sul decadimento dei muoni e le interazioni deboli e diviene subito ricercatore dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare prima presso la sezione di Roma e poi dal 1960 al 1962 ai laboratori nazionali di Frascati. Durante la sua permanenza ai laboratori nazionali, nel periodo in cui si studiavano gli anelli di accumulazione di elettroni e positroni, ebbe modo di scrivere un articolo, pubblicato nel 1961, che i colleghi erano soliti definire come la "Bibbia" poiché conteneva i calcoli teorici di tutte le sezioni d'urto dei processi di fisica delle particelle allora ipotizzabili. Continua la sua attività di ricerca, a partire dal 1962, come ricercatore al CERN di Ginevra prima come fellow e poi, dopo un anno trascorso nel 1963 al Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley in California, come senior scientist. Proprio in questo periodo pubblica l'articolo che lo renderà famoso nella comunità scientifica. Nel 1963 infatti invia al Physical Review Letters lo scritto dove propone l'introduzione dell'angolo di Cabibbo per spiegare i cambiamenti di sapore dei quark durante le interazioni deboli. Questo articolo, che nel 2006 è stato valutato come la pubblicazione più citata di tutti i tempi, fu ispirata, secondo lo stesso fisico, dai suoi studi precedenti sulle interazioni dei fotoni di alta energia con i cristalli. Egli infatti ha affermato in un'intervista che:
Nel 1965, dopo un periodo alla Harvard University come professore a contratto, viene chiamato dall'Università dell'Aquila come professore di fisica teorica. L'anno successivo lascia l'incarico all'Aquila per trasferirsi alla Sapienza di Roma dove rimane, sempre come professore di fisica teorica, fino al 1982 anno in cui si sposta all'Università di Roma Tor Vergata. A Tor Vergata tiene ancora l'insegnamento di fisica teorica fino al 1993 quando torna alla Sapienza come professore ordinario di fisica delle particelle elementari.
Oltre agli incarichi di docenza universitaria continuano i suoi periodi di studio e insegnamento all'estero: è componente dell'Institute for Advanced Study di Princeton (dal 1970 al 1973), e visiting professor alle università di Parigi VI (1977-1978), New York (1980-1981), Syracuse (1986-1992) e nuovamente al CERN (2003-2004). Proprio questo suo continuo spostarsi per il mondo lo hanno portato a definirsi un cittadino del mondo e ad essere tanto presente in Italia quanto all'estero durante i periodi della sua vita che lo videro spesso viaggiare fra le due sponde dell'oceano atlantico per via dei suoi numerosi incarichi. I suoi frequenti spostamenti tuttavia non gli hanno fatto cancellare l'amore per la città ove nacque e in particolare per il suo quartiere: egli ha vissuto fino alla morte a poche centinaia di metri dalla sua casa natale.
Il suo impegno tuttavia non è stato solo accademico: dal 1985 al 1993 è stato presidente dell'INFNDurante la sua presidenza ebbe modo di sottoscrivere una lettera appello in cui, insieme ad altri scienziati, manifestava l'opinione che per l'Italia fosse irrinunciabile l'utilizzo della fissione nucleare come fonte energetica. Informazione riportata in , e dal 1993 al 1998 è stato presidente dell'ENEA. È stato socio nazionale dell'Accademia Nazionale dei Lincei per la classe delle scienze fisiche, ed era uno dei soli 4 scienziati italiani viventi a essere membro della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. Infine, dal 9 giugno 1986 è stato membro e dal 1993 presidente della Pontificia Accademia delle Scienze. In questa veste è intervenuto spesso su problemi etici, epistemologici sui quotidiani italiani e ha tenuto la prolusione per il giubileo degli scienziati durante il terzultimo anno giubilare.
Nicola Cabibbo, che da lungo tempo soffriva di una malattia tumorale, è morto la sera del 16 agosto 2010 all'Ospedale Fatebenefratelli di Roma dove era stato appena ricoverato per crisi respiratoria.
Il suo importante ruolo nella fisica italiana è stato ricordato dal suo ex allievo, e per lungo tempo collaboratore, Giorgio Parisi, durante il discorso di ringraziamento per il conferimento del premio Nobel per la fisica 2021. Lo stesso Parisi, nella propria autobiografia, ha rivelato come sia stato vissuto, dalla gran parte del mondo scientifico, come uno scandalo e un'ingiustizia il mancato conferimento del premio Nobel del 2008 a Cabibbo..
Risultati scientifici Nicola Cabibbo ha ottenuto importanti risultati scientifici nel campo della fisica delle particelle, studiando l'interazione debole, formulandone nel 1963 la teoria valida per i processi in cui c'è cambiamento di stranezza, introducendo il cosiddetto angolo di Cabibbo. Nel 1973 Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa (entrambi premiati con il Premio Nobel per la fisica nel 2008Il fatto che lo stesso Cabibbo non sia stato insignito del premio Nobel è stato considerato, in particolare dai fisici italiani, come un mancato riconoscimento del ruolo di Cabibbo nello sviluppo della teoria (Amarezza dei fisici italiani per la non assegnazione del Nobel a Cabibbo , Il Corriere della Sera, 7 ottobre 2008.)) hanno proposto, introducendo la matrice CKM, una generalizzazione multidimensionale del modello dell'angolo di Cabibbo, dalla quale è stato possibile prevedere l'esistenza di sei differenti sapori per i quark.
L'angolo di Cabibbo e le particelle elementari
La forza debole fu ipotizzata inizialmente per spiegare il decadimento beta dei neutroni, e il decadimento di muoni in elettroni e neutrini. Tuttavia dopo la scoperta delle particelle strane le fu attribuita anche la responsabilità per le interazioni fra nucleoni e particelle strane. In ciascuno di questi tre fenomeni, tuttavia, la forza sembrava comportarsi in modo diverso, finché le ricerche di Murray Gell-Mann non contribuirono a chiarire alcuni aspetti del comportamento della forza. Cabibbo ebbe il merito di spiegare il comportamento della forza debole nell'ultimo di questi processi riuscendo quindi a dimostrare che la forza debole è sempre la stessa in ogni situazione. Egli ipotizzò, utilizzando una formulazione squisitamente quantistica, necessaria per via del tipo di oggetti studiati, che la forza debole e la forza nucleare forte agissero su autostati diversi. Oggi sappiamo che quest'ultima forza in natura è responsabile del confinamento dei quark, ovvero del fenomeno che fa sì che i due quark che costituiscono i mesoni e i tre che costituiscono gli adroni non possano essere isolati singolarmente.
In meccanica quantistica ciascuna forza è rappresentata da un oggetto matematico chiamato operatore che ne descrive l'azione sul sistema fisico, a sua volta rappresentato da una funzione complessa. In alcuni casi particolari l'azione degli operatori lascia immutate le funzioni che descrivono lo stato del sistema, si dice in questo caso che la funzione è un'autofunzione (o autostato) dell'operatore (o della forza). Dire pertanto che la forza forte e la forza debole agiscono su autostati differenti significa in pratica che, ad esempio, mentre la forza forte agisce su un quark up, la forza debole vede lo stesso quark come sovrapposizione di più particelle, su ciascuna delle quali agisce in modo diverso. Tuttavia se gli oggetti fisici descritti da un autostato di un qualsiasi operatore sono sempre gli stessi deve esistere sempre, affinché la teoria sia sensata, una relazione, descritta ancora una volta da un operatore, che ha la proprietà di essere unitario, fra gli autostati del primo operatore e quelli di un altro.
All'epoca degli studi di Cabibbo erano note particelle che oggi sappiamo essere composte da tre soli sapori di quark: up, down, e strange. Mentre la gran parte delle particelle si comportava in maniera coerente con il formalismo sviluppato fino a quel tempo, cioè quelle particelle che oggi sappiamo essere costituita solo da quark up e down, il comportamento di altre particelle come il kaone o mesone K era, tuttavia, anomalo in rapporto alle leggi fino a quel momento note. L'esistenza di queste particelle, dette appunto particelle strane, era nota dalla fine degli anni quaranta e oggi sappiamo che sono costituite anche da uno o più quark strange (S) e possiedono perciò una proprietà fisica chiamata stranezza.
Lo scienziato ipotizzò che la forza debole agisse in maniera diversa su ciascuna particella, solo in funzione della sua carica di stranezza, e introdusse una costante nota come angolo di Cabibbo . Il valore del seno e del coseno di quest'angolo elevati al quadrato erano da utilizzare per stabilire la probabilità che una particella strana si trasformasse in una particella non strana interagendo con un'altra particella per mezzo della forza debole. Con un linguaggio più moderno potremmo dire che le due quantità trigonometriche determinano la probabilità che a seguito dell'emissione di un bosone W un quark strange si trasformi in un quark up (o viceversa, a seconda della carica portata dal bosone W). Il processo di interazione così identificato viene chiamato corrente debole carica.
Si trova sperimentalmente che l'angolo di Cabibbo vale . Questo significa che
e quindi che le interazioni a cui è associato il seno dell'angolo sono molto più improbabili di quelle a cui è associato il coseno. Nel caso preso ad esempio in precedenza questo significa che un quark down ha molte più probabilità di emettere un bosone W e diventare un quark up di quante non ne abbia, nel corso dello stesso processo, di divenire un quark s.
Sfruttando anche la spiegazione proposta da Cabibbo, Gell-Mann ipotizzò l'esistenza dei quark, particelle subatomiche che costituiscono mesoni e adroni e previde che essi potessero presentarsi in 3 differenti colori (e tre anticolori) e in differenti sapori. Il modello a quark fu immediatamente sfruttato per proporre l'esistenza di un quarto quark (il quark charm) da Sheldon Lee Glashow, Luciano Maiani e John Iliopoulos nel cosiddetto meccanismo GIM.