La scoperta del bosone di Higgs

Prof. Peter HiggsIl 28 settembre 2012, durante la Notte Europea dei Ricercatori, nell’aula Touschek dei Laboratori Nazionali di Frascati avrà luogo una conferenza divulgativa sulla scoperta del bosone di Higgs fatta la scorsa estate nei laboratori del Cern di Ginevra, seguita da una tavola rotonda sul significato profondo di questo importante risultato scientifico. Al doppio evento parteciperanno Giovanni Organtini, docente al Dipartimento di Fisica della Sapienza, Umberto Dosselli, direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati, Fernando Ferroni, presidente dell’INFN, Luciano Maiani, direttore del CERN dal 1999 al 2003, e Monsignor Fiorenzo Facchini. Il professor Organtini stuzzica la nostra curiosità e anticipa alcuni dei contenuti della conferenza divulgativa in questo articolo, raccontando la genesi dell’idea del prof. Peter Higgs e ripercorrendo la lunga strada che dagli anni ’60 ha portato i ricercatori a dimostrare la sua ipotesi. Ascoltalo anche nel podcast di Fisicast dedicato alla scoperta, prenotati per partecipare alle conferenze e discuti del bosone sulla pagina di Facebook!

Il 4 luglio 2012, a pochi minuti dall’inizio di un’attesissima conferenza annunciata dal CERN qualche giorno prima, tutte le home page dei maggiori quotidiani del mondo, tutte le agenzie di stampa e tutti i telegiornali riportavano, con grande enfasi, la notizia della scoperta del bosone di Higgs. La grande eccitazione provocata da questo evento non era dovuta alla semplice scoperta di una nuova particella. Già nel mese di aprile, l’esperimento CMS aveva annunciato l’osservazione di una nuova particella [2] (il barione Xib), mentre la collaborazione ATLAS aveva osservato il bosone Csib. Nessuna di queste scoperte aveva destato una reazione simile a quella prodotta dall’annuncio della scoperta del bosone di Higgs. Come mai?

L’Higgs non è semplicemente una nuova particella

La risposta è semplice: i fisici sanno da tempo che i protoni che formano la materia ordinaria non sono particelle elementari, ma sono costituiti di quark. Di quark ne conosciamo sei e le particelle scoperte nei mesi precedenti non sono altro che combinazioni diverse di questi sei quark, mai osservate prima perché rare, ma facilmente prevedibili. In un certo senso la loro esistenza è una naturale conseguenza dell’esistenza dei quark. A differenza di queste particelle il bosone di Higgs, pur essendo stato predetto quasi 50 anni fa, ha una natura completamente diversa e la sua esistenza non è affatto scontata.

Simulazione di una collisione nel rilevatore ATLAS

Simulazione di una collisione nel rilevatore ATLAS. Dal CERN.

Il bosone di Higgs non è infatti una particella come le altre, ma la manifestazione di un nuovo campo (potremmo dire di una nuova forza fondamentale) che, interagendo con esse, fornisce alle particelle di materia la massa che le caratterizza. Prima dell’ipotesi di Higgs la massa delle particelle era pensata come una qualche proprietà intrinseca delle particelle, un po’ come la loro carica elettrica. Con la scoperta del bosone di Higgs, invece, la massa delle particelle (e quindi di tutti gli oggetti) si deve attribuire a un effetto dinamico: per loro natura i corpi sarebbero privi di massa e tenderebbero dunque a muoversi tutti alla velocità della luce. Secondo la teoria della relatività, infatti, la massima velocità alla quale si può muovere un corpo è quella della luce e tale velocità si può raggiungere solo se il corpo ha massa nulla. Capite bene che un Universo in cui tutte le particelle si muovono alla velocità della luce non assomiglierebbe per niente al nostro!

Rendering tridimensione dei rivelatori ATLAS e CMS

Rendering tridimensione dei rivelatori ATLAS e CMS. Dal CERN.

Secondo l’ipotesi di Higgs l’Universo è permeato da un campo (da una forza) che agisce nello stesso identico modo in tutti i punti. Questa forza, in qualche maniera, trattiene le particelle ostacolandone il moto. Le particelle così sono costrette a muoversi con una velocità necessariamente minore di quella della luce e questo corrisponde a possedere una massa. Allo stesso modo in cui il campo elettromagnetico interagisce con se stesso propagandosi nello spazio, permettendo la propagazione dei segnali elettromagnetici sotto forma di onde e la trasmissione dei segnali wireless (come nel caso dei telefoni cellulari, di Internet Wi-Fi, etc.), il campo di Higgs interagisce con se stesso e si propaga nello spazio. Nel fare ciò incontra la stessa difficoltà incontrata dalle particelle di materia: la propagazione è resa difficoltosa dal fatto che, per spostarsi, il campo deve attraversare se stesso, che lo trattiene e ne riduce la velocità, facendolo apparire come una particella dotata di massa. Ecco il bosone di Higgs.

L’esistenza e l’omogeneità del campo di Higgs è una conseguenza del fatto che, nel modello, il vuoto è una condizione altamente instabile. Uno stato nel quale sia presente un campo di Higgs risulta più stabile del vuoto, per effetto dell’auto-interazione del campo. Di conseguenza risulta più semplice immaginare (almeno da un punto di vista qualitativo) come sia stata possibile la nascita dell’Universo: un Universo vuoto è meno stabile di un Universo in cui è presente un campo di Higgs. Se un campo di Higgs si produce per effetto di una piccola fluttuazione quantistica, in assenza di altri campi tende a sopravvivere e a non essere ri-assorbito nel vuoto, così come una palla in equilibrio sulla sommità di una discesa tende a non tornare nello stato iniziale se un piccolo refolo di vento la sospinge: tenderà piuttosto a rotolare giù sempre più velocemente.

Un team da record

La scoperta del prima solo presunto bosone di Higgs è stata resa possibile grazie all’impiego di strumenti scientifici realizzati da team internazionali con un rilevante contributo italiano, attraverso poderosi investimenti da parte di Stati appartenenti a Europa, America e Asia. La macchina acceleratrice (LHC) e i rivelatori che hanno prodotto la scoperta (ATLAS e CMS) hanno frantumato tutti i record finora esistenti nel campo della Fisica delle Alte Energie [5]: LHC è l’acceleratore più grande (27 km di circonferenza), più potente (8 TeV nel centro di massa, aumentabili fino a 14) e luminoso (40 milioni di collisioni al secondo, con fino a 40 collisioni singole protone-protone per ciascuna intersezione dei fasci) che si sia mai costruito; è anche l’oggetto macroscopico più freddo dell’intero Universo, trovandosi a -271 gradi centigradi. Allo stesso tempo, nel punto di collisione si raggiunge la temperatura più alta della Galassia e il vuoto al suo interno è più spinto che in qualunque altro punto dell’intero Sistema Solare.

L'anello di LHC

Anello di LHC visto dall’alto, con la posizione dei quattro esperimenti installati.

ATLAS è il rivelatore più grande del mondo (25 m di diametro, potrebbe contenere la metà della cattedrale di Notre Dame de Paris), mentre CMS è il più pesante (12700 tonnellate; la torre Eiffel ne pesa 7300!). Per non parlare del sistema di calcolo che impiega centri distribuito sull’intero globo terrestre e connessi ad altissima velocità, con centinaia di migliaia di CPU e alcune decine di PB (1000 TB = 1 milione di GB) di spazio disco.

Giovanni Organtini
(Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma, INFN – Sezione di Roma)

Per approfondire

  1. Latest update in the search for the Higgs boson” (seminario LHC in video streaming), 4 luglio 2012
  2. CMS Collaboration, “Observation of a new Xi(b) baryon“, 26 aprile 2012
  3. ATLAS Collaboration, “Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS“, 11 aprile 2012
  4. Peter Higgs, “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons“, Physical Review Letters 13 (16): 508–509 (1964) [pdf]
  5. CERN – Facts and figures

Informazioni su Giovanni Mazzitelli

Senior Researcher - field of interest high energy physics and particle accelerators; science communication and education; sail and alpinism lover
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