Il Bosone di Higgs
Cultura
IL BOSONE DI HIGGS (La particella di Dio)
Il bosone di Higgs e' un bosone elementare, massivo e scalare che gioca un ruolo fondamentale all'interno del Modello standard. Venne teorizzato nel 1964 e rilevato per la prima volta nel 2012 negli esperimenti ATLAS e CMS, condotti con l'acceleratore LHC del CERN. La sua importanza e' quella di essere la particella associata al campo di Higgs, che secondo la teoria permea l'universo conferendo la massa alle particelle elementari. Inoltre la sua esistenza garantisce la consistenza del Modello standard, che senza di esso porterebbe a un calcolo di probabilita' maggiore di uno per alcuni processi fisici. Risulta opportuno fare una distinzione fra meccanismo di Higgs e bosone di Higgs. Il meccanismo di Higgs fu teorizzato dal fisico britannico Peter Higgs e da Francois Englert, Robert Brout (questi due studiosi lavorando su un'idea di Philip Anderson), Gerald Guralnik, C. R. Hagen e Thomas Kibble (tutti questi fisici, rimasti relativamente in ombra rispetto a Peter Higgs, sono stati premiati nel 2010 per il loro contributo), ma solo la pubblicazione di Higgs citava esplicitamente, in una nota finale, la possibile esistenza di un nuovo bosone. Egli aggiunse tale nota dopo che una prima stesura era stata rifiutata dalla rivista Physics Letters, prima di reinviare il lavoro alla Physical Review Letters.
Il bosone e il meccanismo di Higgs furono successivamente incorporati nel Modello standard, in una descrizione della forza debole come teoria di gauge, indipendentemente da Steven Weinberg e Abdus Salam nel 1967. Il bosone di Higgs e' dotato di massa propria, il cui valore non e' previsto dal Modello standard. Misure indirette dalle determinazioni dei parametri elettrodeboli davano indicazioni che i valori piu' probabili fossero comunque relativamente bassi, in un intervallo accessibile al L H C presso il CERN.
Come detto, ci si aspettava che LHC, che dopo una lunga pausa aveva iniziato a raccogliere dati dall'autunno 2009, fosse in grado di confermare l'esistenza di tale bosone. Il 13 dicembre 2011, in un seminario presso il CERN, veniva illustrata una serie di dati degli esperimenti ATLAS e CMS, coordinati dai fisici italiani Fabiola Gianotti e Guido Tonelli, che individuavano il bosone di Higgs in un intervallo di energia fra i 124 e 126 GeV con una probabilita' prossima al 99%. Benche' tale valore fosse sicuramente notevole, la comunita' della fisica delle alte energie richiede che, prima di poter annunciare ufficialmente una scoperta, sia raggiunta una probabilita' di errore dovuto al caso o valore-p (l'elemento imprevedibile principale e' rappresentato in questo caso da fluttuazioni quantistiche) non superiore allo 0,00006% (un valore di 5 in termini di deviazioni standard, indicate anche con la lettera greca sigma). Il 5 aprile 2012, nell'anello che corre con i suoi 27km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l'energia massima mai toccata di 8.000 miliardi di elettronvolt (8Tev). Gli ulteriori dati acquisiti permettevano di raggiungere la precisione richiesta, e il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell'auditorium del CERN, presente Peter Higgs, i portavoce dei due esperimenti, Fabiola Gianotti per l'esperimento ATLAS e Joseph Incandela per l'esperimento CMS, davano l'annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, la cui massa risulta intorno ai 126,5 GeV per ATLAS e intorno ai 125,3 GeV per CMS. La scoperta veniva ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle caratteristiche della particella sono tuttavia ancora incompleti. L'8 ottobre 2013 Peter Higgs e Francois Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica per la scoperta del meccanismo di Higgs. Dopo due anni di pausa tecnica, nel giugno 2015 LHC ha ripreso gli esperimenti con una energia di 13 TeV, avvicinandosi alla massima prevista di 14 TeV. Oltre a nuove misurazioni relative al completamento delle caratteristiche del bosone di Higgs, molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello standard a tale scala di energia, a causa di alcune proprieta' insoddisfacenti del modello stesso. In particolare i ricercatori sperano di verificare l'esistenza delle particelle piu' sfuggenti della materia e comprendere la natura della materia oscura e dell'energia oscura, che costituiscono rispettivamente circa il 27% e il 68% della massa-energia dell'universo (l'energia e la materia ordinaria ne costituiscono solo il 5%).
Come detto, ci si aspettava che LHC, che dopo una lunga pausa aveva iniziato a raccogliere dati dall'autunno 2009, fosse in grado di confermare l'esistenza di tale bosone. Il 13 dicembre 2011, in un seminario presso il CERN, veniva illustrata una serie di dati degli esperimenti ATLAS e CMS, coordinati dai fisici italiani Fabiola Gianotti e Guido Tonelli, che individuavano il bosone di Higgs in un intervallo di energia fra i 124 e 126 GeV con una probabilita' prossima al 99%. Benche' tale valore fosse sicuramente notevole, la comunita' della fisica delle alte energie richiede che, prima di poter annunciare ufficialmente una scoperta, sia raggiunta una probabilita' di errore dovuto al caso o valore-p (l'elemento imprevedibile principale e' rappresentato in questo caso da fluttuazioni quantistiche) non superiore allo 0,00006% (un valore di 5 in termini di deviazioni standard, indicate anche con la lettera greca sigma). Il 5 aprile 2012, nell'anello che corre con i suoi 27km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l'energia massima mai toccata di 8.000 miliardi di elettronvolt (8Tev). Gli ulteriori dati acquisiti permettevano di raggiungere la precisione richiesta, e il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell'auditorium del CERN, presente Peter Higgs, i portavoce dei due esperimenti, Fabiola Gianotti per l'esperimento ATLAS e Joseph Incandela per l'esperimento CMS, davano l'annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, la cui massa risulta intorno ai 126,5 GeV per ATLAS e intorno ai 125,3 GeV per CMS. La scoperta veniva ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle caratteristiche della particella sono tuttavia ancora incompleti. L'8 ottobre 2013 Peter Higgs e Francois Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica per la scoperta del meccanismo di Higgs. Dopo due anni di pausa tecnica, nel giugno 2015 LHC ha ripreso gli esperimenti con una energia di 13 TeV, avvicinandosi alla massima prevista di 14 TeV. Oltre a nuove misurazioni relative al completamento delle caratteristiche del bosone di Higgs, molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello standard a tale scala di energia, a causa di alcune proprieta' insoddisfacenti del modello stesso. In particolare i ricercatori sperano di verificare l'esistenza delle particelle piu' sfuggenti della materia e comprendere la natura della materia oscura e dell'energia oscura, che costituiscono rispettivamente circa il 27% e il 68% della massa-energia dell'universo (l'energia e la materia ordinaria ne costituiscono solo il 5%).
Scontro tra protoni
Bosone (Campo) di Higgs e teoria elettrodebole
Il bosone di Higgs e' il quanto di uno dei componenti di un campo scalare complesso che e' il campo di Higgs. Ha spin zero, e' la sua stessa antiparticella ed e' pari sotto un'operazione di simmetria CP. Secondo la teoria cosmologica prevalente, il campo di Higgs permea tutto lo spazio vuoto dell'universo in qualsiasi istante. Nei momenti iniziali (in termini del miliardesimo di secondo) dopo il Big bang tale campo avrebbe subito un processo di condensazione tachionica, acquisendo un valore di aspettazione del vuoto non-zero che giocherebbe un ruolo fondamentale, innescando un "meccanismo" che da' massa ai bosoni vettori W e Z e allo stesso bosone di Higgs (mentre il fotone rimane senza massa), e provocando di conseguenza la rottura spontanea della simmetria di gauge elettrodebole. Il meccanismo di Higgs cosi concepito e' il più semplice in grado di dare massa ai bosoni di gauge, garantendo la compatibilita' con le teorie di gauge. Entrando piu' in dettaglio, il campo di Higgs consiste in realta' di due campi complessi: doppietto di isospin debole (gruppo di simmetria SU(2)L) e singoletto di ipercarica debole (gruppo U(1)Y) con valore di ipercarica pari a +1; ne discende che il campo con terza componente di isospin debole +1/2 ha carica elettrica +1, mentre l'altro (isospin -1/2 e' neutro. Assumendo, come gia' accennato, che la componente reale del campo neutro, la cui particella corrisponde al bosone di Higgs, abbia un valore di aspettazione sul vuoto non nullo e generi di conseguenza una rottura di simmetria, i restanti tre campi reali (due dal campo carico e uno formato dalla parte immaginaria del campo neutro) sarebbero tre bosoni di Goldstone, per definizione privi di massa e scalari (cioe' a 1 grado di liberta'). Ma dato che, per il meccanismo di Higgs, i campi di gauge sono accoppiati ai campi di Higgs tramite le derivate covarianti, i bosoni di Goldstone divengono le componenti longitudinali dei bosoni W+, W- e Z0, i quali, passando percio' dai 2 ai 3 gradi di liberta' di polarizzazione, acquistano massa. Come gia' detto, il Modello standard non predice il valore della massa del bosone di Higgs. Poiche' il valore individuato sperimentalmente e' compreso tra 115 e 180GeV, la teoria risulta valida a tutte le scale di energia fino alla scala di Planck (1016TeV). Il valore di energia piu' elevato consentito dalla teoria in assenza del bosone di Higgs (o di qualche altro meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole) sarebbe invece ipotizzabile intorno a 1,4TeV; oltre questo punto il Modello standard diventerebbe inconsistente poiche' l'unitarieta' probabilistica risulterebbe violata in alcuni processi di scattering.
Il bosone di Higgs e' il quanto di uno dei componenti di un campo scalare complesso che e' il campo di Higgs. Ha spin zero, e' la sua stessa antiparticella ed e' pari sotto un'operazione di simmetria CP. Secondo la teoria cosmologica prevalente, il campo di Higgs permea tutto lo spazio vuoto dell'universo in qualsiasi istante. Nei momenti iniziali (in termini del miliardesimo di secondo) dopo il Big bang tale campo avrebbe subito un processo di condensazione tachionica, acquisendo un valore di aspettazione del vuoto non-zero che giocherebbe un ruolo fondamentale, innescando un "meccanismo" che da' massa ai bosoni vettori W e Z e allo stesso bosone di Higgs (mentre il fotone rimane senza massa), e provocando di conseguenza la rottura spontanea della simmetria di gauge elettrodebole. Il meccanismo di Higgs cosi concepito e' il più semplice in grado di dare massa ai bosoni di gauge, garantendo la compatibilita' con le teorie di gauge. Entrando piu' in dettaglio, il campo di Higgs consiste in realta' di due campi complessi: doppietto di isospin debole (gruppo di simmetria SU(2)L) e singoletto di ipercarica debole (gruppo U(1)Y) con valore di ipercarica pari a +1; ne discende che il campo con terza componente di isospin debole +1/2 ha carica elettrica +1, mentre l'altro (isospin -1/2 e' neutro. Assumendo, come gia' accennato, che la componente reale del campo neutro, la cui particella corrisponde al bosone di Higgs, abbia un valore di aspettazione sul vuoto non nullo e generi di conseguenza una rottura di simmetria, i restanti tre campi reali (due dal campo carico e uno formato dalla parte immaginaria del campo neutro) sarebbero tre bosoni di Goldstone, per definizione privi di massa e scalari (cioe' a 1 grado di liberta'). Ma dato che, per il meccanismo di Higgs, i campi di gauge sono accoppiati ai campi di Higgs tramite le derivate covarianti, i bosoni di Goldstone divengono le componenti longitudinali dei bosoni W+, W- e Z0, i quali, passando percio' dai 2 ai 3 gradi di liberta' di polarizzazione, acquistano massa. Come gia' detto, il Modello standard non predice il valore della massa del bosone di Higgs. Poiche' il valore individuato sperimentalmente e' compreso tra 115 e 180GeV, la teoria risulta valida a tutte le scale di energia fino alla scala di Planck (1016TeV). Il valore di energia piu' elevato consentito dalla teoria in assenza del bosone di Higgs (o di qualche altro meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole) sarebbe invece ipotizzabile intorno a 1,4TeV; oltre questo punto il Modello standard diventerebbe inconsistente poiche' l'unitarieta' probabilistica risulterebbe violata in alcuni processi di scattering.
Scontro tra particelle
Il bosone di Higgs
Bosone di Higgs e massa dei fermioni
Il campo di Higgs sarebbe responsabile anche della massa dei fermioni attraverso l'estensione del meccanismo di Higgs all'interazione di Yukawa: nel momento in cui il campo di Higgs, secondo la teoria, acquisisce un valore di aspettazione del vuoto non zero, determina, mantenendo sempre la compatibilita' di gauge, rottura spontanea della simmetria chirale, con comparsa nella lagrangiana di un termine che descrive, in modalita' di campo (senza quantificarla), la massa del fermione corrispondente. Rispetto al meccanismo di Higgs propriamente detto dell'interazione elettrodebole, i cui parametri hanno chiare interpretazioni teoriche, il "meccanismo di Yukawa" risulta essere molto meno predittivo in quanto i parametri di questo tipo di interazione risultano introdotti ad hoc nel Modello standard.
Il campo di Higgs sarebbe responsabile anche della massa dei fermioni attraverso l'estensione del meccanismo di Higgs all'interazione di Yukawa: nel momento in cui il campo di Higgs, secondo la teoria, acquisisce un valore di aspettazione del vuoto non zero, determina, mantenendo sempre la compatibilita' di gauge, rottura spontanea della simmetria chirale, con comparsa nella lagrangiana di un termine che descrive, in modalita' di campo (senza quantificarla), la massa del fermione corrispondente. Rispetto al meccanismo di Higgs propriamente detto dell'interazione elettrodebole, i cui parametri hanno chiare interpretazioni teoriche, il "meccanismo di Yukawa" risulta essere molto meno predittivo in quanto i parametri di questo tipo di interazione risultano introdotti ad hoc nel Modello standard.
La "Particella di Dio", ovvero la "Particella maledetta"
Il bosone di Higgs e' noto al grande pubblico e ai media con la denominazione di "Particella di Dio", derivante dal titolo del libro di fisica divulgativa di Leon Lederman "The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?", pubblicato nel 1993. Tale titolo derivo' da un cambiamento da parte dell'editore del soprannome di "Goddamn particle" (particella maledetta), originalmente scelto dall'autore in riferimento alla difficolta' della sua individuazione. In Italia si e' aggiunta un'ulteriore variazione, essendosi affermata la traduzione non ortodossa di "particella di Dio" (che in inglese classico, usando il genitivo sassone, sarebbe God's particle) in luogo di "particella Dio". Higgs ha dichiarato di non condividere questa espressione, trovandola potenzialmente offensiva nei confronti delle persone di fede religiosa. Successivamente, in un'intervista a The Telegraph, l'ha giudicata fuorviante in quanto egli si professa ateo, affermando che e' nata inizialmente come una battuta.
Il bosone di Higgs e' noto al grande pubblico e ai media con la denominazione di "Particella di Dio", derivante dal titolo del libro di fisica divulgativa di Leon Lederman "The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?", pubblicato nel 1993. Tale titolo derivo' da un cambiamento da parte dell'editore del soprannome di "Goddamn particle" (particella maledetta), originalmente scelto dall'autore in riferimento alla difficolta' della sua individuazione. In Italia si e' aggiunta un'ulteriore variazione, essendosi affermata la traduzione non ortodossa di "particella di Dio" (che in inglese classico, usando il genitivo sassone, sarebbe God's particle) in luogo di "particella Dio". Higgs ha dichiarato di non condividere questa espressione, trovandola potenzialmente offensiva nei confronti delle persone di fede religiosa. Successivamente, in un'intervista a The Telegraph, l'ha giudicata fuorviante in quanto egli si professa ateo, affermando che e' nata inizialmente come una battuta.
Rilevatore di particelle