Bosone di Higgs

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Bosone di Higgs
Composizione particella elementare
Famiglia bosoni
Interazione gravitazionale, debole, forte
Status È stata scoperta una particella con le caratteristiche del bosone di Higgs, ma i dati disponibili non sono ancora completi[1]
Teorizzata P. Higgs, F. Englert, R. Brout, G. Guralnik, C.R. Hagen, T. Kibble
Simbolo H0
Massa (125,3 ± 0.6) GeV/c²[2]
Carica elettrica 0
Spin 0

Il bosone di Higgs è 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 [3][1].

La sua importanza è 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 probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Risulta opportuno fare una distinzione fra meccanismo di Higgs e bosone di Higgs. Introdotti nel 1964, il meccanismo di Higgs fu teorizzato dal fisico britannico Peter Higgs e indipendentemente da François 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.[4][5]
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.

AIP-Sakurai-best.JPGHiggs, Peter (1929) cropped.jpg

Premio Sakurai 2010 - Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, e Brout. Nel riquadro a destra Higgs.

Il bosone di Higgs è dotato di massa propria, il cui valore non è previsto dal Modello standard. Misure indirette dalle determinazioni dei parametri elettrodeboli davano indicazioni che i valori più probabili fossero comunque relativamente bassi,[6] in un intervallo accessibile al Large Hadron Collider presso il CERN. Molti modelli supersimmetrici predicevano inoltre che il valore più basso possibile della massa del bosone di Higgs fosse intorno a 120 GeV o meno, mentre la teoria dà un limite massimo di circa 200 GeV (≈3,5 × 10-25 kg).

Ricerche dirette effettuate al LEP avevano permesso di escludere valori inferiori a 114,5 GeV.[7] Al 2002 gli acceleratori di particelle avevano raggiunto energie fino a 115 GeV. Benché un piccolo numero di eventi registrati avrebbero potuto essere interpretati come dovuti ai bosoni di Higgs, le prove a disposizione erano ancora inconcludenti. A partire dal 2001 la ricerca del bosone di Higgs si era spostata negli Stati Uniti, studiando le collisioni registrate all'acceleratore Tevatron presso il Fermilab. I dati lì raccolti avevano consentito di escludere l'esistenza di un bosone di Higgs con massa compresa tra 160 e 170 GeV.

Simulazione Geant4 di un evento in un acceleratore di particelle che dovrebbe generare un bosone di Higgs

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 probabilità prossima al 99%[8][9][10][11][12][13]. Benché tale valore fosse sicuramente notevole, la comunità scientifica richiede che, prima di poter annunciare ufficialmente una scoperta, sia raggiunta una probabilità di errore dovuto al caso (nella fattispecie a fluttuazioni quantistiche) non superiore allo 0,00006%, ossia una probabilità positiva del 99,99994 (un valore di 5 in termini di deviazioni standard, indicate anche con la lettera greca sigma).[14].

Il 5 aprile 2012, nell'anello che corre con i suoi 27 km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l'energia massima mai toccata di 8 000 miliardi di elettronvolt (TeV).[15] 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 GeV per ATLAS[16] e intorno ai 125,3 GeV per CMS[17].

La scoperta del Bosone di Higgs veniva ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle sue caratteristiche sono tuttavia ancora incompleti.[18]

Il Large Hadron Collider è stato spento all'inizio del 2013 ed è previsto rimanga inattivo fino al 2015 a causa di importanti lavori di rinforzo dei dispositivi di sicurezza, prima di riprendere gli esperimenti raggiungendo la massima energia di 14 TeV.

Molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello standard alla scala del TeV, a causa di alcune proprietà insoddisfacenti del modello stesso. In particolare i ricercatori sperano di verificare l’esistenza delle particelle più sfuggenti della materia e comprendere la natura della materia oscura e dell’energia oscura, che costituiscono rispettivamente il 23% e il 72% dell’universo (l'energia e la materia visibili ne costituiscono solo il 5%).

L'8 ottobre 2013 Peter Higgs e François Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica per la scoperta del Bosone di Higgs.

Bosone (Campo) di Higgs e teoria elettrodebole[modifica | modifica wikitesto]

Il bosone di Higgs è il quanto di uno dei componenti di un campo complesso che è il campo di Higgs. Poiché questo è un campo scalare, il bosone di Higgs ha spin zero (non ha momento angolare intrinseco). Esso è anche la sua stessa antiparticella ed è CP-even, cioè è 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 subìto un processo di condensazione tachionica, acquisendo un valore di aspettazione del vuoto non-zero che giocherebbe un ruolo fondamentale, innescando un "meccanismo" che dà 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 così concepito è il più semplice in grado di dare massa ai bosoni di gauge, garantendo la compatibilità con le teorie di gauge.

Entrando più in dettaglio, il campo di Higgs consiste in realtà 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 +½ ha carica elettrica +1, mentre l'altro (isospin -½) è neutro. Assumendo, come già 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 (cioè a 1 grado di libertà). 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 perciò dai 2 ai 3 gradi di libertà di polarizzazione, acquistano massa.

Come già detto, il Modello standard non predice il valore della massa del bosone di Higgs. Poiché il valore individuato sperimentalmente è compreso tra 115 e 180 GeV, la teoria risulta valida a tutte le scale di energia fino alla scala di Planck (1016 TeV). Il valore di energia più 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 1,4 TeV; oltre questo punto il Modello standard diventerebbe inconsistente poiché l'unitarietà probabilistica risulterebbe violata in alcuni processi di scattering. In particolare lo scambio di bosoni di Higgs elimina l'andamento incoerente ad alte energie dell'ampiezza di probabilità nello scattering elastico delle componenti longitudinali di due bosoni W.

Bosone (Campo) di Higgs e massa dei fermioni[modifica | modifica wikitesto]

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 compatibilità di gauge, rottura spontanea della simmetria chirale, con comparsa nella lagrangiana di un termine che descrive, in modalità 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.

Critiche: gli scettici[modifica | modifica wikitesto]

Il fisico Vlatko Vedral ha avanzato la supposizione che l'origine della massa delle particelle sia dovuta all'entanglement quantistico tra i bosoni, analogamente a quanto espresso dalla sua teoria sull'effetto Meissner nei superconduttori da parte degli elettroni entangled. Vari altri ipotetici modelli fisici, tra cui il modello dinamico della superunificazione e del dualismo onda-particella elaborato dal fisico Alex Kaivarainen dell'Università di Turku in Finlandia, parimenti rifiutano implicitamente l'esistenza del bosone di Higgs[19].

Recentemente si è sviluppata una teoria in cui molte delle buone caratteristiche teoriche del settore di Higgs nel Modello standard possono essere riprodotte, per particolari valori dei parametri del modello, dall'introduzione di un settore extra dimensionale, o comunque da una estensione della simmetria elettrodebole. Tali modelli, in cui si cerca di trovare giustificazioni alternative al meccanismo di Higgs, sono noti come modelli Higgsless.[20][21]

La "Particella di Dio", ovvero la "Particella maledetta"[modifica | modifica wikitesto]

Il bosone di Higgs è 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 derivò da un cambiamento da parte dell'editore del soprannome di "Goddamn particle" (particella maledetta), originalmente scelto dall'autore in riferimento alla difficoltà della sua individuazione[22]. In Italia si è 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[23]. Successivamente, in un'intervista a The Telegraph, l'ha giudicata fuorviante in quanto egli si professa ateo, affermando che è nata inizialmente come una battuta.[24]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b Fonte: sito ANSA, consultato il 6 marzo 2013 alle ore 13.56 ([1])
  2. ^ (EN) ATLAS experiment presents latest Higgs search status in CERN, 13 dicembre 2011. URL consultato il 4 luglio 2012.
  3. ^ ATLAS - Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC. URL consultato il 09-03-2013.
  4. ^ Higgs Peter (2007). "Prehistory of the Higgs boson". Comptes Rendus Physique 8: 970-972. doi:10.1016/j.crhy.2006.12.006
  5. ^ Vittorio Del Duca (2008), Un tè con Peter Higgs, Asimmetrie n.8, webzine dell'INFN, giugno 2009.
  6. ^ [hep-ph/9810288v2] The Indirect Limit on the Standard Model Higgs Boson Mass from the Precision FERMILAB, LEP and SLD Data
  7. ^ http://pdg.lbl.gov/2007/tables/gxxx.pdf
  8. ^ Trovata impronta "particella di Dio". URL consultato il 13 dicembre 2011.
  9. ^ Fisica: Cern, bosone di Higgs, segnali indicativi da 'particella di Dio'. URL consultato il 13 dicembre 2011.
  10. ^ CMS search for the Standard Model Higgs Boson in LHC data from 2010 and 2011, CERN, 13 dicembre 2011. URL consultato il 13 dicembre 2011.
  11. ^ Detectors home in on Higgs boson, Nature News, 13 dicembre 2011.
  12. ^ ATLAS experiment presents latest Higgs search status, CERN, 13 dicembre 2011. URL consultato il 13 dicembre 2011.
  13. ^ ATLAS and CMS experiments present Higgs search status, CERN, 13 dicembre 2011. URL consultato il 13 dicembre 2011.
  14. ^ Le Scienze n.521, gennaio 2012
  15. ^ http://daily.wired.it/news/scienza/2012/04/05/lhc-record-energie-bosone-36521.html.
  16. ^ latest results from higgs search
  17. ^ CMS results
  18. ^ Fonte: sito ANSA, 6 marzo 2013 ([2]).
  19. ^ Unified Theory of Bivacuum, Particles Duality, Time & Fields, 2001
  20. ^ C. Csaki and C. Grojean and L. Pilo and J. Terning, Towards a realistic model of Higgsless electroweak symmetry breaking in Physical Review Letters, vol. 92, 2004, p. 101802.
  21. ^ C. Csaki and C. Grojean and L. Pilo and J. Terning, Gauge theories on an interval: Unitarity without a Higgs in Physic Review, D69, 2004, p. 055006.
  22. ^ Scienza/Il bosone di Higgs,da "maledetto" a "particella di Dio". URL consultato l'11 gennaio 2012.
  23. ^ Scoperta la "particella di Dio" adesso l'universo è più stabile, repubblica.it, 4 luglio 2012. URL consultato il 5 luglio 2012.
  24. ^ Prof Peter Higgs: Atheist scientist admits he doesn't believe in 'god particle', telegraph.co.uk, 8 aprile 2013. URL consultato il 12 aprile 2013.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Saggi divulgativi[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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