L’annuncio ufficiale della scoperta del bosone di Higgs, la particella predetta nei lontani anni sessanta dal fisico inglese Peter Higgs, classe 1929, è del 4 luglio 2012 a Ginevra. E’ il risultato clamoroso, ma trepidamente atteso da tutti i fisici delle particelle, degli esperimenti condotti presso il CERN con il grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider).
Non è la scoperta dell’ennesima particella cui siamo ormai abituati, anche se a ogni nuova scoperta di questo tipo corrisponde spesso un premio Nobel. Ricordiamo, ad esempio, quello conferito a Carlo Rubbia nel 1984 per la scoperta di due nuovi tipi di bosone (W e Z) responsabili della così detta “interazione debole”, una delle quattro interazioni fondamentali della natura assieme all'interazione forte, alla forza elettromagnetica e alla gravità. L’esistenza del bosone di Higgs permetterebbe di dare una dignità indiscussa al così detto Modello Standard delle particelle subatomiche. Il bosone di Higgs, infatti, donerebbe a tutti gli altri elementi del modello, un attributo fondamentale senza il quale essi sarebbero come personaggi inanimati di una commedia: la massa.
La “particella di Dio”?
Chiariamo subito che il nome di “particella di Dio” attribuito, purtroppo, a questo bosone dal grande pubblico e dai media, è quantomeno sconveniente per almeno un paio di ragioni. La prima è legata al fatto che la denominazione “Particella di Dio” deriva dal titolo del libro di fisica divulgativa di Leon Lederman (titolo originale "The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?") del 1993 e tale titolo derivò da un cambiamento da parte dell'editore del soprannome di "Goddamn particle" (particella maledetta), originalmente scelto dall'autore con riferimento alla difficoltà della sua individuazione.
La seconda ragione è che lo stesso Peter Higgs non condivide questo soprannome, poiché lo trova potenzialmente offensivo nei confronti delle persone di fede religiosa.
Ci potrebbe essere un’altra ragione, e cioè che è sempre bene tenere disaccoppiato Dio dalla Fisica.
Per inciso, anche il nome della tanto vituperata “Teoria delle stringhe” soffre di una cattiva traduzione: il termine inglese strings, infatti, si traduce in italiano ”corde” (e non stringhe). Andrebbe chiamata quindi “Teoria delle corde”. D’altronde queste corde subatomiche dovrebbero vibrare come quelle di un quartetto d’archi (string quartet, per l’appunto).
Il Modello Standard
Il Modello standard è una teoria della fisica quantistica che descrive tre delle quattro forze fondamentali note (ricordate più sopra), e tutte le particelle elementari adesse collegate. La forza gravitazionale rimane l'unica interazione a non essere descritta dal modello. In questo modello le particelle sono divise in due grossi gruppi:
- le particelle costituenti la materia, che sono tutte fermioni, ovvero i quark e i leptoni
. le particelle “mediatrici delle forze”, i bosoni
Il principio base del modello standard è, dunque, che esistono particelle "mattoni", costituenti fondamentali di tutta la materia nota, e particelle “mediatrici delle forze”. Tutte le interazioni avvengono scambiando queste particelle mediatrici, un po’ come giocatori di basket che si scambiano reciprocamente un pallone. Ad esempio, la particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica alla base dei raggi gamma, della luce, delle microonde, delle onde radio, ecc. è il fotone che non possiede massa e viaggia alla velocità della luce. In fisica si dice che questa particella ha un “range” (cioè un raggio d’azione) infinito. La sua forza, cioè, agisce anche a distanze grandissime. La forza di gravità (che non è descritta, tuttavia, dal modello standard e questo è uno dei grandi problemi della fisica, quello cioè di arrivare ad una teoria capace di unificare tutte le forze) ha un range infinito: questo spiega come mai il Sole riesce ad avere influenza anche su un pianeta lontanissimo come Plutone. Non tutti i mediatori, tuttavia, sono a massa
nulla e range infinito. Ad esempio le così dette interazioni deboli sono mediate da bosoni (chiamati Z°, W+ e W-) che hanno una massa di circa 90 volte quella del protone e agiscono a distanze piccolissime (10-16 metri).
La massa
Cos’è alla fine la massa? A scuola ci insegnano che è il rapporto tra la forza che agisce su di un corpo e l’accelerazione risultante. Oltre alla “massa inerziale” di un corpo, che vale per qualunque tipo di forza, esiste poi una “massa gravitazionale”, che determina il peso dei corpi. Se vogliamo spingere un razzo fuori dall’orbita terrestre, dobbiamo imprimergli un’accelerazione superiore a quella che lo attrae verso il centro della terra, cioè l’accelerazione gravitazionale chiamata anche “g”, che vale 9,8 m/s2. Dovremo quindi calibrare la spinta (la forza) dei suoi motori in funzione della sua massa.
Le due masse (inerziale e gravitazionale) sono assolutamente uguali in virtù del famoso “principio di equivalenza”, un’ altro dei misteri della fisica! Per misurare la differenza dei due tipi di massa con la massima precisione si sono inventate addirittura missioni spaziali specifiche (come la missione Galileo Galilei dell’Agenzia Spaziale Italiana). A oggi il principio regge ancora benissimo.
Einstein ci ha inoltre spiegato con molta chiarezza che c’è un’interdipendenza tra massa ed energia, regolata
dalla celebre formula E=mc2 (dove c2 è la velocità della luce al quadrato). La piccolissima perdita di massa conseguente a certe reazioni nucleari può portare, (come sappiamo) alla generazione di energie spaventose a causa del fattore c2, un numero inverosimilmente grande!
La domanda che ci si pone è: da cosa è originata la massa? E’ una caratteristica dei corpi oppure è generata da qualche specifico meccanismo? Anticipo subito che oggi si ritiene che esista un meccanismo (detto meccanismo di Higgs) responsabile della creazione della massa di ogni particella del Modello Standard. Vedremo come, anche se in un articolo così breve ci si dovrà accontentare di esempi esplicativi dei processi che regolano la creazione della massa attraverso il meccanismo di Higgs, essendo la matematica sottostante alla teoria piuttosto complicata.
Per inciso, qualcuno (soprattutto in ambito teologico/religioso) critica la “supponenza” della fisica nel tentare di spiegare tutti i fenomeni adducendo il motivo che, comunque, le “verità” della fisica sono necessariamente basate sulla matematica e spesso una matematica molto difficile non accessibile ai più. Chi non possiede la cultura necessaria deve, dunque, accontentarsi e credere a quello che dicono i divulgatori scientifici. La fisica non sarebbe, in altre parole, diversa dalla religione, anch’essa si baserebbe sulla fede! Contesto quest’affermazione e ne parlerò in un altro articolo. Dirò solo che in ogni caso se uno proprio volesse, si potrebbe sempre iscrivere ai corsi di una qualunque facoltà di Fisica e alla fine potrà possedere la
cultura necessaria per capire da solo le cose (la religione invece non mi pare dia questa possibilità).
cultura necessaria per capire da solo le cose (la religione invece non mi pare dia questa possibilità).
Il meccanismo di Higgs
Il meccanismo di Higgs, come d’altronde tutta la fisica moderna, richiede una matematica difficile. Per capire il
fenomeno bisognerebbe inoltre conoscere cose come i campi, la “simmetria di gauge”, le teorie di unificazione delle forze e altre amenità non accessibili a tutti. Un recente libricino (“La particella di Dio e l’origine della massa” di Paolo Castorina, Ed. riuniti) riesce brillantemente in meno di cento pagine a fare divulgazione ad alto livello su questo tema senza passare attraverso complicate formule, ma basandosi su esempi comprensibili a tutti. Lo consiglio per chi voglia approfondire l’argomento. Qui dovremo, purtroppo, semplificare ulteriormente senza (spero) scadere nella banalità (o, peggio, nella falsità).
Diciamo che il meccanismo di Higgs si basa sull’esistenza di un “campo”, detto appunto campo di Higgs. Possiamo intuire cosa sia un campo se pensiamo al campo del cellulare, in assenza del quale non si riesce a comunicare: è il campo delle onde elettromagnetiche relativo alle telecomunicazioni, che ci pervade continuamente. In natura esistono numerosi campi con caratteristiche diverse. Il campo di Higgs non è sempre esistito, la misteriosa proprietà conosciuta come massa non esisteva ancora all’inizio del Big Bang e le particelle
subnucleari viaggiavano tutte alla velocità della luce. Circa cento miliardesimi di secondo dopo, quando la temperatura si era abbassata appena un po’, accadde però una cosa strana: l’intero Universo era permeato da un campo, una presenza che si materializzò di colpo proprio come l’acqua raffreddandosi diventa improvvisamente ghiaccio. In effetti, i fisici descrivono la creazione del campo di Higgs proprio come un “passaggio di stato” e dicono che le particelle di Higgs (i famosi bosoni) “condensano” e si fermano.
Alcune particelle attraversavano il campo di Higgs senza nessuna fatica, ma altre si trascinavano con maggiore difficoltà rallentando la loro velocità. Era come se il campo di Higgs si comportasse come un impasto viscoso e selettivo.
Come fa il campo di Higgs a conferire la massa alle particelle? Nel mondo quantistico, un campo come quello di Higgs s’immagina fatto da piccolissime particelle che trasmettono l’effetto del campo e che si chiamiamo bosoni di Higgs (le famose “particella di Dio”). Guardandolo più da vicino si vede che il campo di Higgs non è per niente immobile. Le sue fluttuazioni sono fatte da bosoni che compaiono e scompaiono, il risultato è un mare in ebollizione di particelle che si spingono a vicenda. Quando un elettrone entra in questo campo, attraversa con facilità il mare di bosoni di Higgs. Un muone (un’altra particella del modello standard, con una massa di circa 207 volte quella dell'elettrone), incontra invece più resistenza. Una particella W (un bosone con una massa di circa 100 volte quella del protone, che a sua volta ha una massa di circa 1836 superiore a quella dell'elettrone) trova ancora
più turbolenza e i bosoni di Higgs le si affollano attorno riducendone la velocità. Infine, un quark top (di gran lunga la particella elementare più massiva) è quasi bloccato dai bosoni di Higgs e rallentando converte molta della sua energia in massa secondo la formula di Einstein citata più sopra.
Alla caccia del bosone di Higgs con l’LHC
Nell’LHC di Ginevra si tenta di rigenerare la situazione iniziale del Big Bang facendo urtare protoni contro protoni ad energia altissima. Quando si fanno urtare i protoni di fatto si produce un gran numero di collisioni tra i loro costituenti (che sono i quark e i gluoni). Ci sono molti meccanismi, basati sui costituenti del protone, che permettono la produzione della particella di Higgs. L’LHC del CERN a Ginevra è il più grande acceleratore mai costruito dall’uomo.
Permette urti tra protoni a energie di almeno 7000 volte la massa del protone (si ricordi la bivalenza massa/energia della formula di Einstein). E’ una grande ciambella con una circonferenza di 27 Km che attraversa più volte il confine tra Francia e Svizzera, e si trova a 100 m di profondità. E’ raffreddato da migliaia di magneti superconduttori che vanno mantenuti a meno 271 gradi (quasi lo zero assoluto). I rivelatori consistono in quattro esperimenti denominati ATLAS, ALICE, CMS E LHCb.
Nel dicembre del 2011 CMS e ATLAS, coordinati dai fisici italiani Fabiola Gianotti e Guido Tonelli, hanno riportato un possibile segnale sulla rivelazione della particella di Higgs con una massa circa 125 volte quella del protone.
Il 4 Luglio 2012 il CERN ha ufficialmente presentato i risultati ottenuti dalla collaborazione ATLAS/CMS, confermando che la particella di Higgs è stata scoperta con una probabilità di circa il 99,99994%. Come al solito in fisica le cose non sono mai così semplici: le caratteristiche della particella di Higgs , infatti, sono un po’ diverse da come la teoria l’aveva immaginata. Essa presenta, infatti, alcune anomalie che prospettano nuovi mondi della conoscenza da indagare.
Si completa così il quadro delle 17 particelle elementari che compongono la materia a noi nota. L'ultimo pezzo mancante è stato finalmente trovato. Ma per la fisica questa scoperta rappresenta l'apertura di un capitolo nuovo che apre la strada a nuovi, entusiasmanti, filoni di ricerca.
Luca Maltecca
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