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pubblicato il 17 luglio 2012 in spazio

L’importanza di essere Higgs

La notizia
Il 4 luglio 2012 il direttore del CERN, Rolf Dieter Heuer, ha annunciato durante un seminario che passerà alla storia: “Abbiamo compiuto un passo fondamentale nella comprensione della natura. La scoperta di una particella consistente come il bosone di Higgs apre la strada a studi più dettagliati, che richiedono statistiche maggiori e che ci faranno scoprire le proprietà della nuova particella, probabilmente gettando la luce sui misteri dell’universo”. In sala ad ascoltare in rigoroso silenzio c’era anche il Signor Peter Higgs in persona, colui che ha dato il via a questa epica avventura e che certamente non si aspettava di vederla realizzata, almeno nell’arco della sua vita. Perché la beffa è che nel mondo della fisica subnucleare le particelle spesso sono evanescenti, durano per poco tempo, piccolissime frazioni di secondo, mentre la loro scoperta richiede a volte più di una vita intera. La scoperta è sensazionale perché aver trovato il bosone di Higgs ci permette di dare una spiegazione coerente del perché tutto ha massa. Senza di lui l’universo apparirebbe molto diverso e anche un po’ stravagante. In particolare non esisterebbero gli atomi, non ci sarebbe vita. Dovremmo dire addio alla materia, alle stelle ai pianeti e alle persone che alzano gli occhi al cielo per ammirare le meraviglie dell’universo.

Una storia iniziata 60 anni fa
L’avventura ha inizio nel 1964. Il Signor Higgs ha l’intuizione o, come lui stesso disse “una grande idea”, mentre passeggia per le colline scozzesi. Tornato in laboratorio, insieme ai colleghi François Engler e Robert Brou, teorizza “il campo di Higgs”. E non si ferma qui. Si spinge a ipotizzare l’esistenza di un nuovo bosone in un articolo che all’inizio viene rifiutato della rivista Physics Letters, per poi essere accetto e pubblicato dal Physical Review Letters. Sono passati quasi sessant’anni da quel primo articolo, durante i quali la fisica ha fatto passi enormi nell’esplorazione del mondo dell’infinitamente piccolo. Negli anni settanta viene completato il modello a quark proposto nel 1963 dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig. Nel 1983 Carlo Rubbia e Simon van der Meer scoprono proprio al CERN i bosoni W+– e Z0. Nel 2007, sempre al CERN, entra in funzione l’acceleratore LHC (Large Hadron Collider) in grado di portare fasci di protoni fino a energie di 7 Tev (7000 GeV*) raggiungendo così le condizioni favorevoli per la rivelazione del bosone di Higgs.

*La massa delle particelle
La massa delle particelle viene indicata in multipli di elettronvolt (eV), l’unità di misura che viene utilizzata nel mondo dell’infinitamente piccolo. L’elettronvolt rappresenta l’energia cinetica acquistata da un elettrone (q) accelerato da una differenza di potenziale di 1 volt (V). Secondo l’equazione Ecin= qV risulta equivalente a 1,6 x10-19 joule.
La massa equivalente all’energia di 1 MeV (megaelettronvolt, che corrisponde a un milione di eV) si può scrivere utilizzando la relazione di Einstein E=Mc2, nella forma 1 MeV/c2 = 1,78 x10-27 g (grammi), e in questo sistema quella dell’elettrone risulta me= 0,5 MeV/c2. Quanto al protone la sua massa è duemila volte quella dell’elettrone, cioè 938,1 MeV/c2. La massa del presunto Higgs osservata dagli esperimenti ATLAS e CMS si aggira intorno a 125 GeV/c2 .

Che cos’è un bosone?
Il bosone è una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle. Tutte le particelle che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein e che hanno spin intero sono definiti bosoni. Essi si distinguono dall’altra classe, i fermioni, che possiedono spin semi intero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli secondo il quale un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione. I bosoni, quindi, possono occupare a proprio piacimento lo stesso stato quantico.
Sono bosoni il fotone, il gluone, il gravitone e il mesone, mentre sono fermioni i quark e i leptoni come per esempio l’elettrone e il neutrino.

Il bosone e il campo di Higgs
“Noi pensiamo che vi sia uno spettro che si aggira per l’universo, che ci impedisce di capire la reale natura della materia. È come se qualcosa, o qualcuno, volesse precluderci il raggiungimento della conoscenza definitiva. La barriera invisibile che ci impedisce di conoscere la verità si chiama “campo di higgs”. I suoi gelidi tentacoli si estendono in ogni angolo dell’universo e le sue implicazioni scientifiche e filosofiche producono dei grossi bernoccoli sulla testa dei fisici. Il campo di Higgs compie le sue stregonerie mediante una particella. Questa va sotto il nome di “particella di Higgs”. (Leon Lederman, premio Nobel per la Fisica nel 1988)
Il Modello Standard è una teoria che descrivere sia la materia sia tutte le forze dell’universo (esclusa la gravità). A prima vista appare molto semplice ed elegante perché ha la capacità di spiegare l’esistenza di centinaia di particelle e interazioni complesse con l’uso di poche particelle e interazioni fondamentali.
Si basa su due idee fondamentali: la prima sostiene che esistono particelle mediatrici di forza, ovvero ogni tipo di interazione fondamentale può esistere ed agisce grazie alla mediazione di una particolare una particella. La forza elettromagnetica per esempio agisce grazie alla mediazione del fotone.
Le seconda idea dimostra come sia possibile spiegare l’esistenza della maggior parte delle particelle materiali a partire da poche particelle fondamentali, i quark e i leptoni (per esempio l’elettrone). In sintesi esistono due tipi di particelle: le particelle di materia (come gli elettroni, i protoni, i neutroni e i quark) e le particelle che fungono da mediatori del campo (come i fotoni, gluoni, gravitoni e i bosoni).
Il Modello Standard funziona bene, tolto il fatto che, prima delle “grande idea” di Peter Higgs, questa teoria non era in grado di spiegare perché le particelle elementari abbiano una massa. Higgs propose allora che doveva esserci una proprietà, il Campo di Higgs, che forniva alle particelle elementari la massa. Il campo di Higgs pervade tutto lo spazio e rende “pesante” la materia. Prendendo in prestito una metafora del fisico John Ellis, il campo di Higgs si può considerare come una distesa di neve grande quanto l’intero universo. A sua volta la distesa è costituita da fiocchi di neve, piccoli quanti: i bosoni di Higgs.
Immaginiamo che uno sciatore attraversi questa distesa di neve. Lo vediamo scivolare senza interagire con il campo, scorrere via come una particella senza massa che viaggia alla velocità della luce.
Se invece lo stesso sciatore camminasse con gli scarponi sulla neve affonderebbe e si muoverebbe quindi meno velocemente esattamente come una particella dotata di massa che interagisce con il campo.
Maggiore è l’interazione con questo campo, maggiore sarà la massa della particella.

I cacciatori del bosone di Higgs
Il presunto bosone di Higgs è stato rivelato nell’acceleratore LHC del CERN di Ginevra. Ma che cos’è e come funziona un acceleratore?
Un acceleratore di particelle è una macchina in grado di produrre fasci di ioni o particelle subatomiche (per esempio protoni) dotate di grande energia cinetica. Le particelle sono accelerate attraverso l’applicazione combinata di campi elettrici e magnetici. I primi forniscono energia alle particelle accelerandoli e i secondi servono a curvare la traiettoria.
Vale una semplice regola: più è elevata l’energia, maggiore è la massa delle particelle che si possono produrre e minori sono le dimensioni che si possono esplorare.
Nel 2007 l’acceleratore LHC è riuscito a portare fasci di protoni a energie fino 7 Tev.
L’acceleratore è situato all’interno di un tunnel circolare di 27 km di lunghezza che si trova a circa 100 metri di profondità. Due fasci distinti di protoni vengono accelerati in direzioni opposte e fatti collidere in quattro punti lungo l’orbita. In corrispondenza dei siti di collisione si trovano vere e proprie caverne nelle quali sono alloggiati enormi sale sperimentali.  (Vedi immagine Acceleratore di particelle Cern)
In queste sale sono attualmente presenti quattro rivelatori di particelle, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb e ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ognuno dei quali studia le collisioni con metodi diversi.

Gli esperimenti ATLAS e CMS
I fisici del CERN hanno cercato il bosone di Higgs in un ampio intervallo di energia (tra 115 Gev e 1 TeV). Il motivo è che il Modello Standard non dice quanto debba essere la massa del bosone di Higgs. Il limite inferiore dei 115 Gev era già abbondantemente conosciuto, mentre 1 TeV rappresenta il limite superiore perché, sempre secondo quanto prescritto dal Modello Standard, oltre diventa molto improbabile che questa particella esista.
Ma nelle collisioni osserviamo direttamente la produzione di un bosone e ne misuriamo la massa? Nemmeno per sogno: ciò che si misura è il prodotto del decadimento del bosone, o meglio il prodotto di uno dei modi possibili in cui il bosone decade.
Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno osservato il decadimento del bosone in una coppia di fotoni. Non basta però cercare due fotoni per scovare il bosone. Purtroppo, infatti, la collisione tra due protoni genera moltissime coppie di fotoni, che nulla hanno a che fare con il bosone di Higgs e che creano quello che viene denominato “rumore di fondo”. Insomma è un po’ come cercare un ago in pagliaio.
Gli esperimenti ATLAS e CMS sono riusciti però a osservare una piccola “gobba” che emerge dal rumore di fondo costituito dai fotoni prodotti nelle collisioni protone-protone (Vedi immagine Decadimento del bosone in due fotoni). Inoltre, entrambi i rivelatori hanno osservato il decadimento del bosone in quattro leptoni e, anche in questo caso, ci sono buone possibilità che i risultati osservati non siano semplici fluttuazioni del rumore di fondo(Vedi immagine Decadimento del bosone in 4 leptoni).

In conclusione
Possiamo affermare che qualcosa c’è! Entrambe le misure di ATLAS e CMS, prese in canali di decadimento differenti, mostrano, infatti, intorno a 125 GeV un picco di eventi giustificabili con la presenza di un bosone. Ma siamo veramente sicuri che sia il bosone di Higgs? Non potrebbe essere qualcos’altro? I punti a favore del bosone di Higgs sono che questa particella decade in due fotoni, i quali hanno spin 1. Siccome nel decadimento lo spin si conserva, la particella deve avere spin 0 o 2 e in entrambi i casi si tratterebbe di un bosone poiché ha spin intero. Comunque, solo dopo aver analizzato più dati, si potrà capire se si tratta proprio del bosone di Higgs, o di una particella che gli assomiglia particolarmente, il che aprirebbe le porte a nuove teorie e modifiche del Modello Standard. In un caso o nell’altro sarebbe certamente un fantastico punto di partenza per nuove ricerche.

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

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