Un bosone da Nobel

di Giulia Ricciardi

L’ ottobre scorso è stato assegnato il premio Nobel per la fisica a due fisici teorici, il belga Francois Englert e il  britannico Peter Higgs.  Sono stati premiati per la scoperta teorica, negli anni sessanta, di un meccanismo che contribuisce  alla nostra comprensione dell’origine della massa delle particelle subatomiche,  recentemente confermato sperimentalmente.

Infatti, circa un anno fa, il 24 luglio 2012, ha destato grande emozione  l’annuncio della scoperta di una nuova particella con massa intorno ai 125-126 GeV.  Una reale scoperta, non un’ evidenza parziale o una semplice possibilità, statistiche alla mano.  Tecnicamente, il segnale è stato visto con una significatività di 5 sigma, il che grosso modo significa che la probabilità di osservare gli stessi segnali sperimentali in assenza di tale particella è 1 su 3.5 milioni.

L’annuncio è stato dato contemporaneamente dai portavoce di due collaborazioni scientifiche,  l’italiana Fabiola Giannotti per ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) e lo statunitense Joe Incandela  per CMS (Compact Muon Solenoid). Entrambe le collaborazioni utilizzano i rivelatori  omonimi costruiti in due diversi punti di collisione, lungo il percorso dell’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider) del CERN di Ginevra. LHC, inaugurato nel 2008, accelera due  fasci di protoni, o ioni pesanti, lungo un anello di 27 km, situato a una profondità media di circa 100 m. Le particelle si scontrano a energie superiori rispetto a qualunque precedente esperimento di collisione;  all’aumentare dell’energia si creano e possono essere rivelate particelle di  massa sempre più alta.  In particolare, all’inizio del 2012, l’energia di collisione a LHC aveva raggiunto gli 8 TeV, 1 TeV in più dei due anni precedenti.    Gli esperimenti ATLAS e CMS erano stati   progettati con lo scopo primario di verificare o meno l’esistenza di una elusiva particella pesante, ipotizzata da Higgs e, indipendentemente, da Brout e Englert,  e detta bosone di Brout-Englert-Higgs o, piu’ semplicemente, bosone di Higgs  L’annuncio della scoperta di un possibile candidato a tale ruolo ha rappresentato un momento di orgoglio e di soddisfazione per le migliaia di fisici, ingegneri, tecnici, studenti   che avevano contribuito ai lavori delle due collaborazioni, ed è stata accolta, nell’aula magna del CERN,  da fragorosi  applausi e qualche lacrima di emozione  da parte dell’ultraottantenne Peter Higgs.

Per i fisici, scoprire nuove particelle subatomiche, o elementari, non è poi tanto inusuale. Dalla scoperta dell’elettrone, nel ventennio di fine ottocento, del muone nei raggi cosmici, nel 1936,  del quark bottom, nel 1977 al Fermilab, dei bosoni W± e Z0 al Super-Proto-Sincrotrone (SPS) del CERN nel 1983,   e così via fino agli stati esotici costituiti da un quark charm e dal suo antiquark, osservati a BES III un mese fa,  un grandissimo numero di nuove particelle e antiparticelle è stato identificato. La costruzione di acceleratori sempre più potenti  ha contribuito in modo rilevante a tali osservazioni. Già nel 1955, nel tradizionale discorso di accettazione del premio Nobel, il fisico Willis E. Lamb affermava di aver sentito dire che la scoperta di una nuova particella, nel passato ricompensata col premio Nobel, avrebbe  dovuto ora essere punita con una multa di 10000$.

L’entusiasmo suscitato da questa particolare scoperta è dovuto al fatto che il bosone di Higgs non è semplicemente una nuova particella, ma un nuovo tipo di particella. Al momento attuale, la maggior parte delle caratteristiche delle particelle elementari e delle loro interazioni, escludendo quella gravitazionali, sono descritte dal cosiddetto Modello Standard. Il comun denominatore delle interazioni descritte dal Modello Standard sono particolari simmetrie, dette, con termine inglese, di ”gauge”. Imponendo queste simmetrie, è possibile predire le  caratteristiche salienti della dinamica delle particelle elementari, ad esempio l’unificazione tra elettromagnetismo e interazione debole,  e misurare con grandissima precisione le probabilità  di collisione e decadimento delle particelle elementari. Nonostante il Modello Standard sia stato messo alla prova con grande precisione, per un periodo di oltre 40 anni,  nessuna  significativa e certa violazione o estensione è ancora emersa, con l’unica eccezione dell’osservazione sperimentale di masse non nulle per i neutrini. Le masse delle particelle elementari sono in effetti un punto dolente per il Modello Standard, che non è di aiuto nel  prevedere i loro valori. Anzi, imporre “ab initio” i valori, sperimentalmente trovati, delle masse dei bosoni mediatori delle interazioni deboli, W± e Z0, contrasta con le simmetrie di gauge alla base del Modello Standard. I fisici teorici si sono esercitati negli anni nell’ escogitare possibili soluzioni; tra loro, anche Brout, Englert e Higgs. La loro soluzione è detta comunemente meccanismo di Higgs, e prevede l’esistenza di un nuova particella di spin zero, il bosone di Higgs, che si lega alle altre particelle, rompendo “a posteriori” le simmetrie di gauge, e permettendo alle particelle stesse di acquisire massa.   Le particelle acquisiscono masse diverse perché diverse sono le interazioni col bosone di Higgs. Il meccanismo di Higgs completa e rende consistente il Modello Standard, anche se da molti fisici è  considerato poco elegante, per via dell’introduzione “ad hoc” di questa nuova, strana, particella elementare di spin zero (scalare). Altre particelle scalari sono state osservate, ma non sono elementari; l’Higgs sembrerebbe il primo scalare senza una sottostruttura. Alla luce delle nostre attuali conoscenza della meccanica quantistica relativistica, questo implicherebbe una massa molto più grande di quella attualmente osservata, a meno di cancellazioni e messe a punto della teoria (“fine-tuning”) che non sembrano avere una motivazione fisica naturale.

Questo ed altri problemi sono al momento di grande interesse. La presenza di dati sperimentali con statistica crescente, la possibilità di scoprire altre nuove particelle o di escluderle, consente una verifica stringente delle teorie elaborate nel corso degli ultimi decenni, e  alcune teorie stanno cedendo  sotto l’incalzare dei nuovi dati. La possibilità di  un Higgs composto, di altri scalari elementari, di interazioni anomale, non previste dal Modello Standard, sono alcune delle domande che attendono una risposta basata su conferme sperimentali.  Il bosone di Higgs potrebbe davvero  rappresentare un ponte verso nuove frontiere della fisica.

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