Il bosone di Higgs è una particella elementare che svolge un ruolo fondamentale nel Modello standard, la teoria che descrive le interazioni tra le altre particelle. Questo fornisce massa alle particelle tramite il meccanismo di Higgs, che prevede l’esistenza di un campo scalare che permea tutto lo spazio. Esso è l’onda associata a questo campo, che può essere eccitata da collisioni ad alta energia tra altre particelle.
La scoperta del bosone di Higgs è stata annunciata nel 2012 dal CERN, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle, dopo una lunga e difficile ricerca condotta con il Large Hadron Collider (LHC), il più potente acceleratore di particelle al mondo. La conferma della sua esistenza ha rappresentato una grande vittoria per il Mmodello standard e per i fisici che avevano teorizzato il meccanismo di Higgs negli anni ’60, tra cui Peter Higgs e François Englert, premiati con il Nobel per la fisica nel 2013.
Ma cos’è esattamente il bosone di Higgs e perché è così importante? Per capirlo, dobbiamo fare un passo indietro e ricordare come funziona il Modello standard. Questa teoria descrive le particelle elementari come i mattoni fondamentali della materia e le forze che agiscono tra di esse. Le forze sono trasmesse da particelle prive di massa chiamate bosoni vettori, che si scambiano energia e momento tra le particelle di materia. Le particelle di materia sono invece divise in due categorie, i fermioni, che costituiscono la materia ordinaria, e i bosoni scalari, che hanno proprietà diverse.
Il Modello standard prevede quattro forze fondamentali: la forza forte, che tiene insieme i nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo atomico; la forza elettromagnetica, che agisce tra le cariche elettriche; la forza debole, che è responsabile dei decadimenti radioattivi; la forza gravitazionale, che attrae le masse. Ognuna di queste forze ha un corrispondente bosone vettore: i gluoni per la forza forte, i fotoni per la forza elettromagnetica, i bosoni W e Z per la forza debole e l’ipotetico gravitone per la forza gravitazionale.
Il problema è che il Modello standard non riesce a spiegare come mai alcune particelle abbiano massa e altre no. Se tutte le particelle fossero prive di massa, come sembra richiedere la teoria, non ci sarebbe struttura nella materia e l’universo sarebbe molto diverso da come lo conosciamo. Per risolvere questo problema, i fisici hanno ipotizzato l’esistenza di un campo scalare invisibile che riempie tutto lo spazio e interagisce con le particelle in modo diverso a seconda del tipo. Questo campo è chiamato campo di Higgs e il suo effetto è quello di dare massa alle particelle che interagiscono con esso.
Il meccanismo di Higgs funziona così: le particelle senza massa si muovono alla velocità della luce nello spazio vuoto, ma quando entrano in contatto con il campo di Higgs subiscono una resistenza che rallenta il loro moto. Più forte è l’interazione con il campo di Higgs, più grande è la resistenza e quindi più grande è la massa della particella. In questo modo, i bosoni W e Z acquisiscono una massa elevata, mentre i fotoni rimangono privi massa. Anche i fermioni divengono massivi grazie al campo di Higgs, ma in modo diverso: essi si accoppiano direttamente con il campo secondo la costante di Yukawa, che determina la loro massa.
Il bosone di Higgs è la manifestazione quantistica dell’omonimo campo: esso corrisponde a una fluttuazione o a una vibrazione del campo stesso. La particella può essere prodotta in collisioni ad alta energia tra altre particelle che interagiscono con il campo di Higgs, come i quark o i leptoni. L’onda del campo scalare ha una vita media molto breve e decade rapidamente in altre particelle, che possono essere rivelate dagli esperimenti. La probabilità di produrre e osservare il bosone di Higgs dipende dalla sua massa, che non è nota a priori, ma deve essere misurata sperimentalmente.
La ricerca del bosone di Higgs è stata una delle principali sfide della fisica delle particelle negli ultimi decenni. Diversi acceleratori di particelle hanno cercato di produrre e rivelarlo, ma senza successo. Il LHC, entrato in funzione nel 2008, è stato progettato appositamente per avere l’energia e la luminosità necessarie per scoprirlo. Il LHC fa collidere fasci di protoni a un’energia di 13 TeV (teraelettronvolt) in quattro punti, dove sono situati quattro grandi rivelatori: ATLAS, CMS, ALICE e LHCb. ATLAS e CMS sono gli esperimenti generalisti, che studiano una vasta gamma di fenomeni fisici, tra cui il bosone di Higgs.
Nel 2012, dopo aver analizzato i dati raccolti dal 2010 al 2012, ATLAS e CMS hanno annunciato la scoperta di una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs. La particella ha una massa di circa 125 GeV (gigaelettronvolt) ed è stata osservata in diversi canali di decadimento, come coppie di fotoni, coppie di bosoni Z, coppie di leptoni tau e coppie di quark b. La significatività statistica della scoperta è stata superiore a 5 sigma, il valore convenzionale per dichiarare una scoperta in fisica delle particelle. La scoperta è stata accolta con grande entusiasmo dalla comunità scientifica e dai media, che lo hanno definito la “particella di Dio”.
Tuttavia, la scoperta del bosone di Higgs non è la fine della storia, ma l’inizio di una nuova fase di studio e ricerca; infatti, bisogna verificare se la particella scoperta corrisponde esattamente al bosone previsto dal Modello standard o se presenta delle deviazioni o anomalie che potrebbero indicare l’esistenza di una nuova fisica oltre il Modello standard; inoltre, bisogna misurarne con precisione le proprietà, come la sua massa, il suo spin, la sua parità e i suoi accoppiamenti con le altre particelle. Queste misure richiedono una grande quantità di dati e una sofisticata analisi statistica.
L’LHC ha ripreso le sue operazioni nel 2015 dopo un periodo di upgrade tecnico e continuerà a fornire dati fino al 2024. Poi sarà sottoposto a un altro upgrade per aumentare ulteriormente la sua luminosità e diventare il cosiddetto High-Luminosity LHC (HL-LHC). Questo consentirà agli esperimenti ATLAS e CMS di accumulare un’enorme quantità di dati sul bosone di Higgs e di testare il Modello standard con una sensibilità senza precedenti. Si spera così di poter rispondere a molte domande irrisolte e misteri da esplorare, come la materia oscura, l’energia oscura, la gravità quantistica e le dimensioni extra. Il bosone di Higgs potrebbe essere la chiave per accedere a una nuova fisica oltre il Modello standard, che potrebbe svelare i segreti più profondi dell’universo.
Il libro “Bosone di Higgs” di David Blanco è una guida accessibile e coinvolgente per conoscere la storia, la scienza e il significato di questa straordinaria scoperta. L’autore spiega in modo chiaro e divertente i concetti fondamentali della fisica delle particelle, le sfide sperimentali e teoriche, le implicazioni filosofiche e le prospettive future. Il libro è arricchito da illustrazioni, aneddoti, curiosità e interviste a esperti del settore. Si tratta di un’opera indispensabile per chi vuole avvicinarsi al mondo della fisica delle particelle senza imbattersi in formule complesse e senza necessità di conoscenze pregresse.
Antonio Bevilacqua
