Sono passati 7 anni da quando il bosone di Higgs è stato rilevato all’interno dell’acceleratore di particelle LHC, il Large Hadron Collider. Ora si sta cercando di costruire un successore di LHC, più grande – un tunnel circolare di 100 chilometri, contro i 27 del suo predecessore – per avere uno strumento in grado di raggiungere una precisione maggiore ed effettuare nuove misure per continuare l’avventura verso una nuova fisica. Un articolo di recente pubblicato su Quanta magazine discute dei misteri non ancora svelati legati al bosone di Higgs e dell’utilità di un nuovo acceleratore.
Sono passati 7 anni da quando il bosone di Higgs è stato rilevato all’interno dell’acceleratore di particelle LHC, il Large Hadron Collider. Ora si sta cercando di costruire un successore di LHC, più grande – un tunnel circolare di 100 chilometri, contro i 27 del suo predecessore – per avere uno strumento in grado di raggiungere una precisione maggiore ed effettuare nuove misure per continuare l’avventura verso una nuova fisica. Un articolo di recente pubblicato su Quanta magazine discute dei misteri non ancora svelati legati al bosone di Higgs e dell’utilità di un nuovo acceleratore.
Cosa sono il campo di Higgs e il bosone di Higgs?
Prima di addentrarci nei segreti di quella che fu definita “la particella di Dio”, cerchiamo di capire cosa sia il bosone di Higgs. Per rispondere a questa domanda è necessario partire dal campo di Higgs. Di cosa si tratta? Andiamo un po’ indietro nel tempo. Negli anni Settanta i fisici iniziarono a comprendere che esisteva un legame piuttosto stretto tra due delle quattro forze fondamentali: l’interazione nucleare debole e l’interazione elettromagnetica. L’interazione nucleare debole è quella che contribuisce alla trasformazione della materia più che alla sua coesione, infatti una sua manifestazione è il decadimento beta, cioè la trasformazione di un neutrone in un protone, un elettrone e un antineutrino. L’interazione elettromagnetica (o forza elettromagnetica), invece, è ciò che fa sì che esista la struttura atomica e molecolare della materia e spiega fenomeni da noi conosciuti come la luce, il magnetismo e l’elettricità. I ricercatori capirono che queste due forze potevano essere descritte all’interno di una medesima teoria che è alla base di quello che viene chiamato Modello standard (la teoria che, ad oggi, descrive nel modo più completo le particelle elementari e le loro interazioni) e questa unificazione porta a riconoscere le due interazioni come forza elettrodebole. Le equazioni fondamentali della teoria unificata descrive in maniera corretta la forza elettrodebole e le particelle a essa associate ossia i fotoni e i bosoni W e Z, ma c’è un problema: queste particelle sembrano non avere massa, affermazione vera per il fotone ma non per i due bosoni. A questo punto i fisici Robert Brout, François Englert e Peter Higgs teorizzarono un meccanismo che avrebbe conferito massa ai bosoni W e Z. Secondo questa teoria, le particelle acquisiscono massa interagendo con un campo invisibile che permea l’intero universo, il campo di Higgs, e più la particella interagisce con esso, maggiore è la sua massa. Come per ogni campo, quello di Higgs è associato a una particella, il bosone di Higgs, la sua manifestazione visibile. Riuscire a rivelare l’esistenza del bosone di Higgs significa dimostrare che il campo esiste ed è quello che è accaduto grazie a LHC, il 4 luglio 2012. Se campo e bosone di Higgs vi sembrano ancora concetti oscuri, qui c’è un video che vi guiderà con un’analogia ancora più chiara.
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Cosa sappiamo e cosa dobbiamo ancora scoprire?
L’avere rilevato il bosone di Higgs ha confermato la teoria di Brout, Englert e Higgs, ed è valso per gli ultimi due il Premio Nobel per la Fisica del 2013. Ma, come evidenzia l’articolo pubblicato su Quanta magazine, c’è ancora molto comprendere. Si sa ancora poco del campo di Higgs e della sua nascita: il momento in cui, dopo il big bang, è passato da un valore pari a zero allo stato attuale, quell’evento di rottura della simmetria che ha portato quark, elettroni e altre particelle fondamentali ad avere una massa e a formare atomi. Gli scienziati si chiedono se proprio questo evento non abbia rivestito un ruolo nella creazione della asimmetria materia-antimateria. O ancora: l’attuale valore del campo di Higgs è stabile o potrebbe improvvisamente cambiare? Ci sono anche quesiti irrisolti riguardanti lo stesso bosone di Higgs, infatti il suo comportamento potrebbe rivelare particelle nascoste o non ancora conosciute che con esso interagiscono, magari quelle che costituiscono la materia oscura mancante. Poi ci sono i decadimenti della “particella di Dio”, grazie ai quali controlliamo la correttezza del Modello Standard. Ulteriori misurazioni saranno fondamentali per proseguire e cercare le risposte a questi interrogativi.
L’utilità di un successore di LHC
Costruire un nuovo acceleratore di particelle, più evoluto di LHC, servirà quindi ad avventurarsi nelle profondità dei quesiti descritti. La nuova macchina dovrebbe riuscire a far collidere le particelle (elettroni e positroni o protoni) con energie maggiori regolate con precisione così da massimizzare la possibilità di produrre bosoni di Higgs e, conseguentemente, osservarne in dettaglio i decadimenti. Con il nuovo strumento, inoltre, la precisione nelle misure degli accoppiamenti di bosoni di Higgs dal 20% scenderebbe all’1%.
In condizioni di questo tipo potrebbero essere raccolti nuovi dati riguardanti accoppiamenti di particelle con il bosone di Higgs che compaiono in altre teorie, al di là del Modello standard, come ad esempio il modello di “rilassamento”. Di interesse per la ricerca è l’accoppiamento triplo di Higgs ossia la forza dell’interazione del bosone di Higgs con se stesso, misura che può essere registrata quando un bosone di Higgs decade in due altri bosoni di Higgs. Questo evento, non avvenuto in LHC e molto raro, servirebbe a testare le previsioni del Modello standard e, qualora il risultato deviasse, rivelerebbe l’esistenza di nuove particelle non incluse nella teoria. Inoltre darebbe informazioni riguardanti la forma della curva matematica che definisce i differenti possibili valori del campo di Higgs e questo aiuterebbe a determinare se il vuoto del nostro universo è stabile o metastabile: se le previsioni del Modello standard per l’accoppiamento sono corrette, l’universo è in uno stato metastabile che decadrà tra miliardi o migliaia di miliardi di anni. Non preoccupiamoci, non c’è nulla da temere, ma venire a conoscenza di queste informazioni ci donerà un importante tassello per la comprensione della storia del cosmo.
Massa o non massa, questo è il dilemma? A parte gli scherzi, per approfondire le vostre conoscenze di fisica delle particelle vi consigliamo la lettura dell’articolo di Domenico Coiante, “La massa: da Newton a Higgs”, pubblicato nel numero di ottobre 2016 di Sapere.
Immagine di copertina: ID: CMS-PHO-EVENTS-2012-005-1. Evento registrato con il rivelatore (Compact Muon Solenoid) nel 2012 nel centro di massa proton-protone di energia di 8TeV (4 luglio 2013). Credits: CERN
