Il bosone di Higgs: una rivoluzione...

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27/12/2012 21:42 - 09/02/2017 15:03 #31 da Bosone
Bosone ha creato la discussione Il bosone di Higgs: una rivoluzione...
Il bosone di Higgs: una rivoluzione rispetto al comune pensare


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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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1. La scoperta

Al CERN si ha ormai la certezza che sia stata vista una “nuova particella” della quale sono state determinate diverse proprietà, seppur con incertezze sperimentali ancora grandi. Entro queste incertezze, la nuova particella appare essere il tanto cercato “bosone di Higgs”. Che è, che implica, perché è così importante? Che cambia nella nostra visione, non solo come fisici ma anche come persone comuni?

Cercheremo di dare una risposta a questi interrogativi e di fare il punto sulla situazione sperimentale.


2. Evoluzione e rivoluzioni nel concetto di “massa”: una breve storia

Il concetto di “massa” da un lato appartiene al nostro quotidiano, dall’altro studiando la Fisica è sempre stato molto intrigante. Il fatto è che come scienziati ci impone di andare molto in profondità.

Nel quotidiano il concetto di massa è stato per secoli confuso con quello di “peso”. Venne Newton con F = ma e ci disse che la massa m è qualcosa di più fondamentale e generale: è la costante di proporzionalità tra una forza F e l’accelerazione a che essa comunica a un corpo: maggiore è la massa, maggiore è la sua inerzia al moto. Meglio essere logicamente rigorosi e chiamarla subito “massa inerziale”.

Allora capimmo che la confusione con il peso veniva (e viene tuttora per i non acculturati) dal fatto che la forza che constatiamo in tutti i momenti e che misuriamo con una bilancia e' l’attrazione Fg [/size] che subiamo dalla Terra, legata alla massa da Fg [/size] = GmM/R2 [/size], dove M è la massa della Terra, R il raggio terrestre e G e' la “costante gravitazionale”. Non stupiamoci quindi della confusione che si fa se non si conosce la Fisica: solo se fossimo su un’astronave, liberi dalla forza di gravita', non la vedremmo fare.

Per inciso, stabilendo che G e' una costante valida per tutti i corpi (anche quelli celesti), Newton ci permise di parlare di Legge di Gravitazione Universale o, in termini più attuali, di Interazione Gravitazionale.

Per essere sempre logicamente rigorosi, una massa definita come sopra non e' concettualmente connessa ad una inerzia al moto: usiamo pure lo stesso simbolo m, ma diamole il nome di “massa gravitazionale”.

Il rigore logico alla fine premia ma crea anche dei profondi dilemmi concettuali. Dopo Newton, ci vollero oltre due secoli e venne Einstein con la Teoria della Relatività a risolvere il dilemma dicendoci che massa inerziale e massa gravitazionale sono manifestazioni in fenomeni diversi della stessa massa m.

Con E = mc2 [/size], la Teoria della Relatività ci dice di più, ci dice che massa ed energia sono concettualmente la stessa cosa. Esse sono solo legate da una costante, c2 [/size]. Lasciamo da parte l’usuale sistema di unita' di misura (cgs o MKS che sia), nato da considerazioni pratiche (ancora oggi gli inglesi amano misurare lunghezze in pollici o piedi) e del tutto arbitrario. Scegliamo, come e' possibile e si fa in Fisica delle Particelle Elementari, un sistema di unita' di misura in cui la velocita' e' una delle grandezze fondamentali e definiamo come sua unita' di misura c, la velocita' della luce. Il valore numerico di [/i]c[/i] e' 1 e numericamente l'espressione E = mc2 [/size] diventa E = m. Questo suggerisce che E e m si possano considerare due modi diversi di esprimere quantitativamente una stessa entita' fisica concettuale.

Precisiamo che, essendo la massa dipendente dall’energia, quando ora parliamo di massa come proprietà intrinseca (per le particelle elementari quella che trovate sui libri) intendiamo parlare della cosiddetta “massa a riposo” e cioè del valore che essa ha quando non è in movimento.

In un famoso quadro tahitiano di Paul Gauguin (ora al Museum of Fine Arts di Boston) appare come titolo la scritta “D'où venons-nous? Que sommes-nous? Où allons-nous?” cioè "Da dove veniamo? Chi siamo? Dove andiamo?"


P. Gauguin (1897-1898), Da dove veniamo? Chi siamo? Dove andiamo? , Dettaglio, Museum of Fine Arts, Boston


Parafrasando la scritta, abbiamo visto che cosa è la massa. Rivolgiamoci ora all’interrogativo: da dove viene? Per capire questioni fondamentali di questo genere, i fisici sanno che fare: le studiano nelle circostanze più semplici e vedono quindi che succede al livello delle “particelle elementari”.

Al livello delle particelle elementari comincia una nuova rivoluzione. Si comincia a non vedere più la massa come un fatto “statico”, cioè non come una proprietà attribuibile a priori indipendentemente da tutto. La si comincia piuttosto a vedere come un “effetto dinamico”, cioè da porsi in relazione a sue “interazioni”.

In questo quadro, l'esistenza di una massa per le particelle elementari non è tuttavia teoricamente inquadrabile in maniera semplice, in assenza di “altro”. La massa dovrebbe, infatti, essere il risultato di una “auto-interazione” delle stesse particelle, ma le leggi che regolano le interazioni tra le particelle elementari non consentono queste auto-interazioni.

Vediamo come la cosiddetta Teoria Standard delle Particelle Elementari risolve “teoricamente” il problema introducendo il bosone di Higgs, di cui però sino alla scoperta del CERN non si aveva alcuna evidenza sperimentale diretta. Mancava questo fondamentale tassello. Eppure le predizioni della Teoria erano state verificate dettagliatamente negli esperimenti.

Nella Teoria Standard la massa delle particelle è il risultato di una continua interazione con un vuoto che non è veramente vuoto ma è riempito da “altro”, da bosoni di Higgs. In Fisica si definisce stato di "vuoto" quello di minima energia. Il bosone di Higgs ha una sua peculiare caratteristica: il suo stato di minima energia non corrisponde a una sua completa assenza. Il "vuoto" del bosone di Higgs corrisponde, infatti, a una sua pur minima onnipresenza. Le particelle trovano così qualcosa con cui interagire anche nel vuoto!

L’effetto di questa interazione è molto profondo: genera effettivamente una massa per quasi tutte le particelle (non per il fotone mediatore dell'interazione elettromagnetica, né per i mediatori dell'interazione forte, i gluoni). Tutto questo è permesso dalla natura quantistica e relativistica delle interazioni fondamentali e delle particelle elementari.

Una nota analogia permette di intuire come delle interazioni possano portare a un effetto descrivibile in termini di massa. Essa è ispirata da come si esprimono fenomeni in fisica della materia condensata.



Guardate la figura: un ricevimento, con un certo numero di persone che animano il “vuoto” di una sala. Chiamiamoli bosoni di Higgs. Uno sconosciuto non interagisce con nessuno e attraversa la sala senza aver contatti con alcuno. Una persona importante ha continui contatti e procede circondato da altri.

E ora esprimiamo lo stesso effetto in termini di Fisica. La persona importante interagisce e procede in gruppo con altre persone, fa "massa" con esse. E’ più difficile da arrestare, come lo è un autobus rispetto a un’auto. Quindi possiamo descrivere l’osservazione dicendo che per effetto delle sue interazioni la persona importante acquisisce una “massa”. Non abbiamo aggiunto nulla, abbiamo solo descritto quanto osserviamo con il linguaggio della Fisica. Come analogia, non è proprio male. Per saperne di più, vedete http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html .


3. Il bosone di Higgs

Il quadro suddetto prevede inevitabilmente l'esistenza del bosone di Higgs, una nuova particella vera e propria, che può essere creata nelle collisioni di alta energia e osservata attraverso l'analisi dei prodotti del suo decadimento. Questa sua osservabilità è stata indicata per la prima volta appunto da Peter Higgs, da cui il nome. Per inciso, bosoni si dicono tutte le particelle che hanno momento angolare di spin nullo, o pari a un numero intero dell’unità con cui esso si misura.

Di conseguenza, l’osservazione del bosone di Higgs, cercato per tanti anni, è necessaria per testimoniare il meccanismo per la generazione delle masse delle particelle elementari come predetto in dettaglio dalla Teoria Standard.

Quando conosceremo in modo più completo le proprietà della nuova particella trovata al CERN potremo definitivamente identificarla come il bosone di Higgs della attuale Teoria Standard. O altrimenti concepirne un’estensione che contempli come assoluta novità la particella osservata. La scoperta del CERN è comunque fondamentale.


4. Come è stata osservata la nuova particella

Nel collisionatore protone-protone LHC (Large Hadron Collider) del CERN, protoni lanciati ad altissima energia sono tenuti in rotazione nelle due direzioni opposte di un anello di 27 Km di circonferenza. Campi magnetici di grande intensità, prodotti da uno straordinario sistema di magneti superconduttori, provvedono a mantenerli in orbita. I protoni sono raggruppati in pacchetti con circa 100 miliardi di protoni in pochi centimetri, separati da circa 7.5 m d’intervallo. In alcuni punti dell’anello i pacchetti sono fatti scontrare. In pratica si attraversano l’un l’altro, dato che sono comunque come pacchetti di gas rarefatto.

A ogni scontro avvengono circa 20 interazioni tra protoni, ma in un tempo così ristretto che le tracce delle numerosissime particelle prodotte in queste interazioni sono tutte impresse nella stessa immagine. Sembra impossibile districare le tracce delle particelle prodotte in ogni singola interazione da immagini così gremite come quelle correntemente mostrate. Una grande precisione nella ricostruzione delle singole tracce, unita a raffinatissimi metodi di analisi, permette questo miracolo.

L’energia liberata nelle collisioni tra due protoni si rende disponibile per la creazione di nuove particelle, in virtù dell’equivalenza tra massa ed energia dettata dalla Teoria della Relatività. L’elevatissima energia dei protoni collidenti può così essere convertita in “nuove” particelle di massa talmente grande da non essere mai state viste prima sperimentalmente. Per molti anni si è cercato di produrre il bosone di Higgs innalzando sempre più l’energia delle collisioni, ma fino a luglio 2012 non era stata ottenuta nessuna indicazione diretta della sua esistenza.

Cerchiamo ora di rispondere alla domanda: com’è stata identificata la produzione della nuova particella in base alle tracce delle usuali particelle prodotte nelle interazioni tra protoni? Per semplicità di linguaggio, ci riferiremo a essa come bosone di Higgs.

Le tracce che noi vediamo nelle immagini sono quelle di particelle (o anti-particelle) elettricamente cariche e stabili - quali elettroni, muoni e protoni - o di vita abbastanza lunga - tipicamente pioni - da attraversare un buon tratto dell'apparato sperimentale prima di "decadere", cioè di disintegrarsi dando vita ad altre particelle. Le particelle elettricamente neutre - quali i fotoni - non lasciano tracce: la loro produzione è evidenziata dalla deposizione della loro energia in speciali elementi ("calorimetri") dell'apparato sperimentale capaci di assorbirle.

Il bosone di Higgs, di massa molto elevata, è altamente instabile e molto rapidamente decade: la sua cortissima traccia non può essere rilevata. Così la nuova particella osservata. Ma allora come possiamo dire di averla "vista", nel senso di averne identificata la presenza tra i prodotti delle interazioni?

In termini più generali, la questione si sposta in questa: come sono identificate, diciamo pure "viste", le particelle instabili?
Le particelle instabili sono identificate ricercando tra le tante e mettendo assieme le particelle "figlie" generate nel decadimento, ricostruendolo. Dalla misura delle loro direzioni ed energie è addirittura possibile determinare la massa della particella "madre", il bosone di Higgs nel nostro caso.

Una particella instabile ha in generale aperti diversi “canali” per il suo decadimento già al primo stadio della catena (le particelle figlie possono a loro volta generarne altre, per decadimento o interazione ). La teoria prevede che al primo stadio il bosone di Higgs tipicamente decada in una coppia quark-antiquark, gluone-gluone, tau+ -tau-, fotone-fotone, W+ [/size]-W-, Z0 [/size]-Z0 [/size] o Z0 [/size]-fotone. Si ricordi che W e Z sono le particelle mediatrici delle Interazioni Deboli e che il tau è simile all'elettrone ma ha una massa molto più grande.

Nello stadio finale della catena, quarks e gluoni danno vita a "getti" di particelle difficilmente distinguibili da quelli prodotti nelle normali interazioni. Gli stati finali più rari, ma identificabili con maggiore sicurezza, sono quelli che contengono elettroni, muoni o fotoni.

A LHC vi sono due esperimenti atti all’osservazione del bosone di Higgs: ATLAS e CMS. Pur avendo apparati sperimentali quasi del tutto diversi, il che rinforza la scoperta, ambedue hanno osservato una nuova particella che decade in due fotoni. In pratica, essi hanno trovato un certo numero d’interazioni caratterizzate dalla presenza di due fotoni che provengono da decadimenti in cui la particella madre ha massa sistematicamente uguale a circa 125 masse protoniche, entro le incertezze sperimentali. Tenuto conto della bassa probabilità che tali eventi provengano da processi conosciuti, questa è ritenuta una prova sufficiente per dichiarare l'esistenza di una nuova particella.


5. Bosone di Higgs o scenari inattesi?

La ricerca è solo all’inizio. I fisici teorici e sperimentali stanno concentrando le loro forze per analizzare e interpretare la grande quantità di dati raccolti da ATLAS e CMS. Se la nuova particella è il bosone di Higgs, oltre al canale di decadimento in due fotoni osservato si devono vedere anche gli altri canali, nelle proporzioni previste dalla Teoria Standard.

Si inizia ora a “vedere” la nuova particella anche analizzando le interazioni con quattro e solo quattro leptoni carichi (elettroni o muoni) nello stadio finale: in un certo numero di queste interazioni i quattro leptoni hanno energie e direzioni fortemente in accordo con l’ipotesi di provenire dal decadimento di un’unica particella con le stesse proprietà di quella scoperta, che decade in due fotoni.

Nuovi risultati sono alle porte. Saranno in linea con l’aver scoperto il bosone di Higgs? Apriranno alla Fisica scenari inattesi, ossia parafrasando di nuovo Gauguin: dove andiamo?

Paolo Strolin
Francesco Tramontano
Allegati:
Ultima modifica: 09/02/2017 15:03 da Paolo.

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