Questa nuova particella è veramente il bosone di Higgs?

Siamo proprio convinti della esistenza del bosone di Higgs? Siamo proprio convinti delle teorie che l’hanno giustificata? Siamo proprio sicuri che la particella scoperta nell’ LHC sia proprio il bosone di Higgs e non una delle tante a cui sono stati conferiti i super poteri per alcune proprietà previste dalle teorie? Scopriamolo.

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Luglio 2022. Sono passati dieci anni dalla conferma sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs. Tuttavia restano molti interrogativi. Rimane ancora un po’ di “misticismo” attorno al ruolo teorico giocato da questa particella, che è stata impropriamente soprannominata “la particella di Dio” in più occasioni.

Ci sono ancora alcune proprietà chiave del Bosone di Higgs che non sono state testate e che hanno implicazioni anche sulla stabilità dell’universo.

La scoperta

Ci sono voluti quasi cinquant’anni da quando, nel 1964, Peter Higgs ne ha ipotizzato e teorizzato l’esistenza, a quando gli scienziati delle collaborazioni Atlas e Cms sono riusciti a vederla in laboratorio, grazie a un complesso esperimento all’acceleratore Large Hadron Collider (Lhc) al Cern di Ginevra. Quel 4 luglio 2012,

L’esperimento ha confermato innanzitutto che si tratta di un bosone, ovvero di una particella con spin intero (invariante alla rotazione), priva di carica, e ne hanno misurato con estrema precisione la massa, pari a 125 GeV/c²

Ma dal punto di vista teorico c’è qualcosa che non quadra: alcune anomalie registrate dagli esperimenti ATLAS e CMS sembrano richiedere un superamento del modello standard e per questo i fisici sono già al lavoro.

Modello Standard

Tutto ha origine dal Modello Standard. Il Modello Standard è la teoria che descrive i componenti fondamentali della materia e le loro interazioni.

Il Modello standard non predice il valore della massa del bosone di Higgs.

Oggi sappiamo che gli atomi che costituiscono la materia sono formati da protoni, neutroni ed elettroni.
Grazie a rivelatori sempre più sofisticati sono state scoperte moltissime particelle, alcune delle quali sono composte da altre particelle (come il protone, che è formato da tre quark) e altre sono elementari, ovvero non costituite da particelle più semplici (come l’elettrone). Una particella è elementare se i comportamenti che siamo in grado di osservare non mostrano la presenza di una struttura interna.

Nel corso degli anni vennero scoperte fin troppe particelle, portando i fisici che cercavano di mettervi ordine in uno stato di confusione: Willis Lamb arrivò a dire che chi avesse scoperto una nuova particella non avrebbe meritato il premio Nobel ma una multa da diecimila dollari.

Le particelle elementari alla base di tutto sono i quark e i leptoni (elettrone, muone, tau).
Combinandosi tra loro, esattamente come dei mattoncini Lego, quark e leptoni danno origine a tutta la materia, grazie ad altre particelle chiamate mediatrici che svolgono la funzione delle forze aggreganti della natura:

• i fotoni, che costituiscono la luce e l’interazione tra cariche elettriche e sono i responsabili della forza elettromagnetica; 
• i gluoni che sono la colla superpotente che tiene insieme i quark e i nuclei degli atomi e danno origine a quella che viene definita forza forte; 
• le particelle W e Z sono invece responsabili della radioattività, e palesano la cosiddetta forza debole. 

Tale teoria, tuttavia, sebbene dia una reale spiegazione della materia, è stata formulata sulla base di un’approssimazione tutt’altro che banale: tutto funziona, infatti, se si assume che le particelle non abbiano massa.
Le cose, come le conosciamo, hanno massa, hanno un peso, e quindi tutti i mattoncini lego che ci compongono devono avere una massa.

Ma introducendo la massa nel Modello Standard, crolla il castello di carte, le equazioni non funzionano più…

Altrimenti avremmo avuto bisogno di “nuova fisica” per descrivere le interazioni e le dinamiche delle particelle elementari.

Il meccanismo di Higgs

Peter Higgs, un timido fisico trentacinquenne dell’università di Edimburgo, armato solo di carta e penna, nel 1964 si mise in testa di salvare capra e cavoli, con un’intuizione che mantenesse buone le equazioni del Modello Standard ma che introducesse anche la massa delle particelle.

Ipotizzò, dunque, che la massa non fosse una proprietà intrinseca delle particelle stesse (cioè le particelle non nascono con una massa; sono tutte uguali e si muovono alla stessa velocità, quella della luce), ma che nell’universo esistesse una sorta di melassa cosmica, un liquido viscoso, che le particelle devono attraversare quando si muovono, acquisendo una massa diversa a seconda la particella.

Il meccanismo di Higgs, prevede l’introduzione di un nuovo campo di forze che pervade tutto lo spazio: il campo di Higgs.

Più propriamente, è il modo in cui questa melassa, che è il campo di Higgs, frena le varie particelle, a conferire loro la diversa massa. In altre parole, il bosone di Higgs conferisce alle particelle una massa mediante l’interazione con il campo da esso prodotto.

Questa particella di Higgs viene comunemente (e forse impropriamente) chiamata “bosone” in quanto si comporta come una forza mediatrice che svolge la funzione delle forze aggreganti della natura come il fotone, il gluone, le particelle W e Z.

Il valori delle masse delle particelle elementari sono legati dalla forza con cui ciascuna particella si accoppia con il campo di Higgs

Un doppio salto carpiato per aggiustare capre e cavoli.

Il campo di Higgs, quindi, non descrive un’interazione fondamentale, e non ha radici teoriche nei princìpi primi. Al contrario delle interazioni fondamentali, il campo di Higgs non è venuto a cercarci, siamo stati noi a invocarlo per poi verificarne l’esistenza.

Adesso c’è una novità: quella particella potrebbe in realtà essere costituita da un insieme di qualche cos’altro (particelle?) tenuto insieme da una forza di cui al momento sappiamo poco o nulla.

Secondo i ricercatori le particelle che si uniscono a formare il bosone di Higgs sono fermioni (una famiglia di particelle che comprende quark, neutrini ed elettroni) e scalari (particelle di massa nulla: sarebbero pura energia cinetica).

Campo scalare

Bene, proviamo a metterla così.
Bisognava ipotizzare che ci fosse qualcosa nello spazio che frenasse queste particelle che schizzavamo da ogni parte a velocità della luce: un campo. Un campo come quello da golf dove l’erba frena le palline.

Una particella “scalare”, o di spin zero , è una particella che rimane completamente inalterata sotto l’effetto delle rotazioni: possiamo paragonarla ad una sfera perfetta, che appare sempre la stessa da qualunque angolazione.

Al bosone di Higgs, quindi,  è associato un campo, ovvero una grandezza fisica che assume dei valori nello spazio-tempo. Mentre, per esempio, il campo elettromagnetico è vettoriale, il campo di Higgs è scalare, come il campo della temperatura o della pressione atmosferica, e a ogni punto dello spazio-tempo è associato un numero e non un vettore.

In matematica e fisica con campo “scalare” si indica una funzione matematica che associa ad ogni punto dello spazio uno o più valori. In genere i campi sono nulli ovunque. Se invece vengono perturbati, si creano delle onde , come quando si lancia un sasso  in uno stagno. Queste onde rappresentano le particelle elementari.

Ora viene il bello. L’esistenza di questo campo prevede anche l’esistenza delle sue increspature, cioè il bosone di Higgs.

Anche il bosone di Higgs, come tutte le particelle, è descritto dall’increspatura di un campo. Va infine precisato che l’interazione con il campo di Higgs avviene senza lo scambio di bosoni intermedi, cosa che avviene invece per le forze elettrodebole e forte che non hanno massa. Questo tipo di interazione ha quindi un raggio di azione nullo.

In Breve: Le  particelle, originariamente a massa nulla, risentono della presenza di questo campo e si comportano come fossero massive. In maniera più semplicistica: alle particelle andando a sbattere contro uno dei valori associati al campo, viene conferita una massa. Questo meccanismo è detto appunto “Meccanismo di Higgs”.

Un campo scalare non è un campo di forza ma si comporta come tale, i cui quanti elementari (bosoni) si comportano come mediatori di forza del campo.

In linea di principio, l’interazione tra l’Higgs e le altre particelle elementari potrebbe essere considerata una forza, come accade per la forza elettromagnetica o la forza nucleare forte, tuttavia non si parla di una vera e propria forza fondamentale di Higgs (cosiddetta quinta forza).
Forza che non è contemplata nel Modello Standard.

Il bosone di Higgs e la rottura della simmetria

Facile vero? Troppo facile, mi pare.
A questo punto dovete fare un “altro” atto di fede.
Il bosone di Higgs è figlio del meccanismo omonimo e del più generale fenomeno chiamato “rottura spontanea della simmetria“.

Le particelle  sono molto simmetriche, appaiono tutte allo stesso modo, non si distingue tra quelle di massa diversa. Questa simmetria deve essere spezzata per differenziarle, ci deve essere qualcosa che ci permetta di differenziare: questo è il Bosone di Higgs. A seconda di come le particelle interagiscono con lui acquisiscono masse differenti. Così la simmetria è rotta.

La simmetria in questione è quella che regola le interazioni elettromagnetiche e deboli, queste ultime responsabili della radioattività dei nuclei instabili. (fig.2)

Il meccanismo di Higgs descrive ciò che accade quando viene spontaneamente rotta una simmetria che governa interazioni mediate da campi detti di gauge.
Il campo di gauge – chiariamo anche questo. Campo di gauge, (calibro), indica che in qualche modo tali simmetrie consentono di calibrare da un punto all’altro dello spaziotempo la funzione che descrive le particelle elementari, in modo arbitrario.
Ok, avete capito qualcosa? No? Neanch’io. E’ per questo che vi ho chiesto un atto di fede.

Tutte le interazioni fondamentali di cui si ha evidenza in natura sono legate a simmetrie di gauge. Tali simmetrie adottano dei mediatori per trasmettere le interazioni: fotoni del campo elettromagnetico che fanno interagire gli elettroni, gluoni del campo delle interazioni forti che fanno interagire i quark all’interno dei nuclei atomici, deboloni (coniato ora per indicare i campi delle interazioni deboli…) che fanno interagire i neutrini e, infine, gravitoni che fanno interagire tutto ciò che possiede energia sotto qualche forma.

Nella teoria di gauge tali mediatori sono a massa nulla e questo garantisce interazioni a lungo raggio, quali quelle elettromagnetiche o gravitazionali delle quali è pervaso tutto l’Universo. L’evidenza sperimentale, tuttavia, ha introdotto un’eccezione a questa regola, in quanto le interazioni deboli sono mediate da particelle pesanti che sono caratterizzate da una massa con valore diverso da zero.

 Questa nuova particella è davvero il bosone di Higgs?

Non rimaneva ora che trovare questa particella. La domanda era che massa doveva avere e come trovarla.

L’osservazione diretta del bosone di Higgs è resa difficile dalla grande energia richiesta per la sua produzione negli acceleratori di particelle, e dal fatto che esso non esiste stabilmente per lunghi intervalli di tempo dal momento della sua creazione.

Misure indirette dalle determinazioni dei parametri elettrodeboli davano indicazioni che i valori più probabili fossero comunque relativamente bassi.

Molti modelli predicevano inoltre che il valore più basso possibile della massa del bosone di Higgs fosse intorno a 120 GeV/c² o meno, mentre la teoria dà un limite massimo di circa 200 GeV/c²

Questa particella è stata creata facendo scontrare due fasci di protoni, un processo che ha generato qualcosa come mezzo miliardo di collisioni protoni-protoni al secondo, ognuna delle quali libera una quantità di energia pari a 3500 miliardi di elettonVolt (eV) da cui può emergere un bosone di Higgs.

Il rivelatore ATLAS ha analizzato circa 800 trilioni di collisioni tra il 2010 e Giugno 2012: di queste solo 8 interazioni sembrano aver prodotto un bosone di Higgs che decade producendo una coppia di bosoni Z, mentre in altre 200 interazioni è stato osservato un decadimento con la formazione di due fotoni.
Ora la probabilità di non trovare alcun segnale è di 1 su 3.500.000 il che vuol dire, in termini dei fisici delle particelle, che è stata “scoperta” una nuova particella. 

Più semplicemente, tutto questo marasma di collisioni ad alte energie ha evidenziato una particella (tra miliardi di particelle prodotte al secondo) che decade immediatamente ma che aveva una massa all’incirca di quella ipotizzata che dovrebbe avere il bosone di Higgs.

Questa particella è stata subito battezzata bosone di Higgs e ad essa sono state conferiti tutti i “super poteri” di associare materia a particelle indistinte.
Wow. Che botta di fortuna.

Stabilità dell’universo

Il valore di 125 GeV è pressoché al limite critico tra un universo stabile e meta-stabile. Se fosse appena più piccolo, infatti, questo sarebbe completamente instabile, con leggi fisiche in continuo cambiamento, mentre se fosse appena più grande sarebbe perfettamente stabile. Secondo i dati a disposizione, invece, l’universo si trova esattamente nel mezzo in una ristretta fascia intermedia.

Subito dopo il Big Bang, nei primi attimi di vita dell’universo, la gravità avrebbe potuto causarne il collasso. Oggi uno studio spiega in che modo il bosone di Higgs potrebbe essere intervenuto contro il collasso.

All’inizio dell’universo, tutta la materia era compressa in uno spazio piccolo e concentrato, con una gravità molto elevata e un alto livello di disordine (entropia): per queste ragioni l’universo stesso sarebbe potuto collassare all’interno di buchi neri. Tuttavia, pochi istanti (precisamente 10-35 secondi) dopo il Big Bang, un’espansione rapidissima ha avuto luogo, evitando il collasso dell’universo e portandolo fino a dimensioni astronomiche, quali quelle che conosciamo. 

Tuttavia, questa teoria presenta ancora qualche buco nelle sue fondamenta. A tal proposito, già da tempo è stata introdotta l’idea dell’esistenza dell’inflatone (un campo ipotetico con la sua particella, un po’ come il campo di Higgs è insieme al bosone di Higgs) che spiegherebbe l’inflazione dell’universo.

Il campo di Higgs – il campo associato al bosone – subito dopo il Big Bang sarebbe stato molto intenso e questa forza avrebbe ridimensionato quella della gravità.

Tuttavia, la teoria è e resterà una teoria, che come altre teorie in cosmologia, sono difficili – se non impossibili – da provare con esperimenti, dato che si parla di ciò che è avvenuto all’inizio della vita dell’universo.

Minima energia

 Al campo di Higgs è associata una certa energia, che di fatto permea tutto l’universo ed è presente anche nello spazio vuoto. In generale la condizione più stabile per un sistema si ha quando l’energia è minima e questo vale anche per il campo di Higgs. Un masso su un pendio, per esempio, non rimane fermo, ma rotola giù fino a raggiungere il minimo di energia potenziale in fondo alla valle.

La domanda quindi è: il campo di Higgs è nel suo minimo di energia? La massa del bosone di Higgs confrontata con la massa della particella elementare più grande, il quark top (173 GeV/c²), ha portato i fisici a concludere che il campo non è nel minimo assoluto, ma in un minimo relativo. Questo implica che l’energia del vuoto non è la minore possibile: il vuoto nell’universo è in realtà un falso vuoto.

Sintesi

• Il Modello Standard funzione bene se le masse sono nulle. Introducendo la massa nel Modello Standard le equazioni non funzionano più.
• Per raggirare il problema Higgs ipotizzò, dunque, che la massa non fosse una proprietà intrinseca delle particelle stesse.
• L’universo è permeato da una specie di colla o melissa che rallenta le particelle che l’attraversano acquisendo una massa diversa a seconda la particella e la sua velocità.
• A questo campo è associata una particella chiamata bosone di Higgs in onore dello scienziato che la studiò
• La particella è chiamata bosone in quanto nel conferire materia alle particelle si comporta come le mediatrici di forza nel Modello Standard (fotoni, gluoni, le particelle W e Z.)
• Ciò che frena le particelle è un campo che in fisica è chiamato campo scalare.  L’esistenza di questo campo prevede l’esistenza delle sue increspature, cioè il bosone di Higgs.
• Il bosone di Higgs è figlio del meccanismo chiamato “rottura spontanea della simmetria“.
• La simmetria in questione è quella che regola le interazioni elettromagnetiche e deboli.
• Le particelle  sono molto simmetriche, appaiono tutte allo stesso modo, non si distingue tra quelle di massa diversa. Questa simmetria deve essere spezzata, ci deve essere qualcosa che ci permetta di differenziare: questo è il Bosone di Higgs.
• Nella teoria dei campi tali mediatori sono a massa nulla e questo garantisce interazioni a lungo raggio. L’evidenza sperimentale, tuttavia, ha introdotto un’eccezione a questa regola, in quanto le interazioni deboli sono mediate da particelle pesanti che sono caratterizzate da una massa con valore diverso da zero. Il bosone di Higgs.
• Il bosone di Higgs è stato individuato facendo scontrare due fasci di protoni, un processo che ha generato qualcosa come mezzo miliardo di collisioni protoni-protoni al secondo.
• Tra queste collisioni è stata individuata una particella che aveva una massa all’incirca di quella ipotizzata dalla teoria per il bosone di Higgs. Ed è stata subito battezzata come tale.
• Non si ha certezze che essa sia realmente il bosone di Higgs ma ci piace crederlo.
• In realtà il bosone di Higgs può essere costituito da un insieme di qualche cos’altro (particelle?) tenuto insieme da una forza di cui al momento sappiamo poco o nulla.
• Il valore di 125 GeV/c² è pressoché al limite critico tra un universo stabile e meta-stabile, che ha permesso l’esistenza dell’Universo.
• Al bosone di Higgs viene attribuita la “espansione” accelerata dell’universo (inflazione) che ha impedito il collasso dell’universo.
• La massa del bosone di Higgs confrontata con la massa della particella elementare più grande, il quark top (173 GeV/c²), ha portato i fisici a concludere che il campo non è nel minimo assoluto, ma in un minimo relativo. Questo implica che l’energia del vuoto non è la minore possibile: il vuoto nell’universo è in realtà un falso vuoto.

IN DEFINITIVA

Tutta questa storia non nasce da una evidenza come per esempio la gravità dove tutti sono impegnati a cercare il famoso gravitone responsabile del campo di forza, o della materia oscura di cui si cerca di cosa è formata.
Il bosone di Higgs nasce da una idea e attorno a questa idea si sta costruendo un castello senza basi. Si stanno creando delle apposite teorie (un vestito che gli vada bene) che ne giustificano l’esistenza: il campo scalare, la rottura della simmetria.

La prima per dire che nello spazio c’è qualcosa che frena le particelle e la causa di questo è proprio una misteriosa particella. La seconda per giustificare in che modo il bosone conferisce materia a particelle indistinte che schizzano da tutte le parti.
Poi con l’acceleratore di particelle, casualmente si scopre una particella difficilissima da scovare perché instabile (decade in 1,56 *10^-22 secondi), che può andare bene con i calcoli teorici e la battezzano bosone di Higgs.

A tutto questo va detto che il bosone di Higgs essendo esso stesso materia non si sa chi gli ha conferito materia. Gli scienziati dicono che è dotato di materia proprio. Come Dio. Ecco perché viene chiamate la “particella di Dio“.

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