Domande e risposte sul bosone di Higgs

Annunciata scoperta bosone di Higgs, leggi approfondimento

Ecco a voi una serie di domande e risposte, in perfetto stile unico-lab circa il bosone di Higgs, la cui scoperta è stata annunciata il 4 luglio 2012. La versione originale di questo articolo è stata scritta prima della sua scoperta e successivamente adattata.

Le domande e in particolare le risposte sono formulate in un linguaggio divulgativo, quindi ci perdonino i colleghi fisici se ci lasciamo andare ad un linguaggio non proprio formale. Potete leggere le domande nell'ordine che meglio preferite, ma forse vale la pena per una volta leggere l'articolo nella sua interezza.

Se avete altre domande o curiosità, provate a scriverle nei commenti in fondo al post e se siamo capaci cercheremo di darvi una risposta. 

Elenco domande e risposte:

• Perché il Bosone di Higgs è così importante?
• Cosa significa bosone? Non si poteva chiamarla semplicemente particella Higgs? E chi è Higgs?
• A cosa serve il bosone di Higgs? In che ruolo gioca il bosone di Higgs?
• Perché è così difficile da trovare? Esistono posti dove non può essere? 
• Come si manifesta il bosone di Higgs?
• Scoperto il bosone di Higgs, allora abbiamo finito?
• E se il bosone di Higgs non esistesse? O non fosse esattamente come lo abbiamo immaginato?

Perché il bosone di Higgs è così importante?
Immaginate di avere un puzzle, uno di quelli piuttosto grandi e che magari raffiguri una mongolfiera con montagne innevate e cielo terso sullo sfondo. Immaginate di aver completato quasi interamente l'opera, le montagne con le loro cime accuminate, i riflessi del cielo, i colori sgargianti del pallone. Manca solo un pezzettino, lì nella parte bassa della mongolfiera dove arrivano tutte le funi. Tutti sanno cosa deve raffigurare il pezzo, il cesto con all'interno il conducente e magari i passeggeri. Tutti sanno come deve essere, ma nessuno non è ancora riuscito a trovarlo. Uscendo di metafora, possiamo dire che il puzzle è quello che i fisici delle particelle chiamano Modello Standard (molto spesso abbreviato SM dall'acronimo inglese), ovvero è un'ottima descrizione del mondo delle particelle elementari. Usando il modello standard i fisici possono fare previsioni di altissima precisione su tutto quanto succede alle particelle subatomiche. Questo modello però manca di un tassello proprio come il nostro metaforico puzzle, e questo è proprio il bosone di Higgs, ovvero una particella di cui i fisici sanno perfettamente il ruolo nel quadro generale, ma che ancora nessuno ha mai visto.
Capite quindi l'importanza, un puzzle, seppur bellissimo, se manca di un tassello perde tutto il suo fascino e nel caso del modello standard bisognerà rivedere parte delle sue fondamenta per capire come mantenere in piedi l'intera impalcatura. (torna su)

Cosa significa bosone? Non si poteva chiamarla semplicemente particella Higgs? E chi è Higgs?
Tre domande in una, wow! Partiamo con il dire che un bosone è una particella elementare, quindi sì in linea di principio si può chiamarla particella di Higgs, ma gli scienziati preferiscono utilizzare il termine bosone perché caratterizza meglio le sue proprietà. Le particelle vengono suddivise in fermioni (in memoria di Enrico Fermi) e in bosoni (da Bose) e la classificazione avviene in base allo spin, ovvero il modo in cui queste girano su loro stesse. Tutti i bosoni hanno spin intero, mentre i fermioni hanno spin frazionario che detto in parole più comprensibili significa che mentre i primi girano ad una "velocità" pari a una o due volte una certa velocità minima, i secondi ruotano a metà di questa velocità base.
C'è un'altra importante differenza. I bosoni sono mediatori di forze, infatti nelle teorie quantistiche di campo - come il modello standard - le interazioni tra una particella e l'altra, come l'attrazione elettrostatica, sono descritte come trasportate da una particella (seconda quantizzazione).
Quindi riassumendo per le prime due domande, possiamo dire che l'Higgs è un bosone in quanto è una "particella di interazione" ovvero un elemento usato per definire un campo. Il campo di Higgs appunto, che prende il nome dal fisico Peter Higgs e che serve a dare la massa a tutte le altre particelle. Come lo vedremo nella prossima domanda. (torna su)

A cosa serve il bosone di Higgs? In che ruolo gioca il bosone di Higgs?
Abbiamo detto che l'Higgs è un bosone, ovvero la rappresentazione sotto forma di particella di un campo di interazione. Il fotone, una particella di luce, che è anch'esso un bosone è il mediatore della forza elettromagnetica i cui effetti ci sono noti e appaiano costantemente nella nostra vita quotidiana, dall'elettricità alle telecomunicazioni. Diventa allora lecito domandarsi che ruolo abbia nel modello standard - la teoria che descrive le particelle subatomiche e le loro interazioni - il bosone di Higgs? Il campo descritto dal bosone è il responsabile della massa di tutte le particelle. Mi spiego, perché un fotone non ha massa, mentre un bosone Z ne ha una molto grande? La ragione deriva da come queste particelle interagiscono con il campo di Higgs o se preferite con il bosone di Higgs. Cerchiamo di spiegare meglio il concetto con un esempio piuttosto classico. Immaginatevi l'uscita di un edificio in cui si è appena concluso un importante evento mondano con star e personaggi illustri. All'esterno ci sono decine di giornalisti che attendono con ansia l'uscita dei VIP. Questi escono alla spicciolata e come potrete immaginare verranno subito accerchiati da giornalisti e paparazzi; maggiore è l'importanza di questi personaggi più affollata sarà la cerchia di giornalisti. Se in quel momento uscisse una persona normale, passerebbe praticamente inosservata senza che nessuno lo fermi per chiedere una dichiarazione o una fotografia. Analogo discorso per il campo di Higgs che si comporta un po' come i giornalisti: lui ha una sua personalissima graduatoria dell'importanza delle particelle, con quelle più importanti interagisce di più conferendo una massa maggiore. Povero fotone, che senza massa è l'ultimo in classifica! (torna su)

Perché è così difficile da trovare? Esistono posti dove non può essere?
Sappiamo praticamente tutto di questa particella, tranne due piccoli particolari: la sua massa (ovvero quanto il bosone di Higgs interagisca con sé stesso) e, non per nulla banale, la sua esistenza! A seconda della sua massa, che ricordiamo non conosciamo, il modello standard ci dice come si deve comportare, il che significa che sappiamo in quale modo deve decadere, cioè trasformarsi in altre particelle. Gli esperimenti prima di LHC hanno esplorato l'intervallo di masse fino a circa 110 GeV (unità di misura di energia, ma che i fisici usano anche per la massa sfruttando l'equivalenza di Einstein E=mc2). Non sapendo dove si potesse nascondere, all'acceleratore LHC sono in funzione due grossi esperimenti, ATLAS e CMS, che sono in grado di perlustrare tutto l'intervallo delle masse possibili fino a 600 GeV. Avere un così ampio intervallo è un po' come cercare un ago in un pagliaio.
Per fortuna, nei mesi scorsi, le prime analisi serie con quantità considerevoli di dati raccolti hanno permesso di escludere un vasto intervallo di masse, lasciando un'unica finestra di possibilità tra 114 e 141 GeV. Di fatto questo significa che ATLAS e CMS si sono focalizzati in quel punto andando a cercare tutto quello che può sembrare un ago. Per sapere come si manifesta il bosone di Higgs devi leggere la prossima domanda. (torna su)

Come si manifesta il bosone di Higgs?
Sapete come funziona il collisore LHC, vero? I protoni accelerati a velocità molto prossime a quelle della luce vengono fatti scontrare in una sorta di incidente automobilistico subatomico. Dallo scontro vengono generate una grande quantità di particelle che se ne scappano dal punto di collisione. I giganteschi esperimenti del CERN sono in grado di rivelare il passaggio di particelle al loro interno, di misurarne la massa, la velocità e di individuarne la carica elettrica. Con queste informazioni è possibile ricostruire la dinamica dell'incidente. Il bosone di Higgs però non riesce ad arrivare fino al rivelatore, vive talmente poco tempo che decade trasformandosi in altre particelle non appena prodotto. Nell'intervallo di massa tra 114 e 141 GeV, l'unico rimasto per trovare l'Higgs, questo decade preferenzialmente in tre modi: come una coppia di fotoni, come una coppia di bosoni Z che a loro volta decadono in 4 muoni, o come una coppia di bosoni W che decadono in 2 leptoni e 2 neutrini.
Di questi tre canali di decadimento, il più semplice da individuare è il secondo, perché nei rivelatori si vedrebbero quattro spade perfettamente diritte che attraversano per intero il rivelatore arrivando senza problemi agli strati più esterni. Le spade, o meglio sarebbe chiamarle tracce, sono prodotte dai muoni che si allontano dai punti in cui le Z sono decadute. E' una firma chiarissima che non  può essere mancata, ma da sola non basta; serve una conferma almeno in un secondo canale per poter azzardare una qualche affermazione di scoperta. (torna su)

Scoperto il bosone di Higgs, allora abbiamo finito?
In realtà abbiamo solo appena cominciato. Scoprire il bosone di Higgs, verificare che le sue proprietà siano proprio quelle che il modello standard aveva previsto è un passo decisivo per completare il puzzle del modello standard, ma non certo l'ultimo. A questo punto possiamo permetterci di fare un passo indietro e di vedere che il puzzle non è proprio completo, ci mancano alcuni dettagli e delle parti intere. I dettagli sono per esempio, la massa del neutrino che secondo il modello standard è nulla, ma le evidenze sperimentali ci dicono il contrario. Le parti intere mancanti del quadro, che vanno sotto il nome di nuova fisica, sono la spiegazione della materia oscura, che secondo le più recenti teoria forma gran parte del nostro universo e che è stata al centro del Premio Nobel per la fisica di quest'anno. Per non parlare poi del resto. Il modello standard funziona egregiamente nel descrivere 3 su quattro delle forze fondamentali: elettromagnetismo, nucleare debole e nucleare forte, ma fallisce alla grande nell'integrare la gravità di cui ancora non abbiamo una descrizione quantistica coerente. Quindi vedete che il lavoro certo non manca. (torna su)

E se il bosone di Higgs non esistesse? O non fosse esattamente come lo abbiamo immaginato?
Un bosone, che verosimilmente è il Bosone di Higgs è stato scoperto il 4 luglio 2012 dagli scienziati del CERN. Adesso si deve verificare che è il bosone di Higgs del modello standard oppure no. I dettagli diventano fondamentali, perché ci permetteranno di apprezzare sfaccettature che il modello non aveva previsto. Insomma, con la scoperta del Bosone di Higgs, abbiamo aperto una porta e ci siamo ritrovati nel corridoio di un albergo (cit).  (torna su)