Bosone di Higgs: una particella molto umana

Simulazione di uno sciame di particelle riconducibile al decadimento di un bosone Higgs

presso il rilevatore ATLAS, LHC

 Lacrime di commozione rigavano il volto di Peter Higgs mentre mercoledì 4 luglio i fisici del Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN) annunciavano la scoperta dell’ultimo tassello mancante nella famiglia di particelle previste dal Modello Standard. La teoria descrive i mattoni fondamentali della materia, le particelle elementari come quark ed elettroni e le forze fondamentali che ne regolano l’interazione quali, ad esempio, l’elettromagnetica e l’elettrodebole associando a ciascuna un quanto di energia chiamato “bosone”. Al coronamento dei successi del Modello Standard mancava la particella più elusiva di tutte: il bosone di Higgs. La caccia iniziata quasi 50 anni fa nacque dall’intuizione geniale di un giovane e schivo fisico teorico che appena trentacinquenne ne ipotizzò l’esistenza e se ne aggiudicò    il nome. Detto in termini propriamente fisici questo bosone rappresenta il “quanto” di un campo scalare (localmente gauge invariante) che permea l’intero Universo e dota le particelle che vi interagiscono delle proprietà di massa. In un linguaggio più comprensibile il campo di Higgs può essere pensato come una onnipresente “melassa cosmica” che permea l’intero Universo invischiando le particelle e dotandole di quella “resistenza” a mettersi in moto che chiamiamo massa. Le particelle che non vi interagiscono ad esempio come il fotone, il quanto del campo elettromagnetico, sono di fatto prive di massa.

Per decadi i fisici hanno vagliato senza esito i dati prodotti da acceleratori di particelle come il LEP (l’antecedente dell’attuale LHC costruito al CERN vicino Ginevra tra la Svizzera e la Francia) e il Tevatron (il suo concorrente statunitense) cercando di trovare un’indicazione della presenza di Higgs tra gli sciami di particelle prodotte nelle collisioni subnucleari. Il miglior risultato raggiunto finora era un debole segnale appena distinguibile dal rumore di fondo. In soli due anni di dati all’LHC si è raccolta una statistica di eventi sufficiente non solo ad avere conferma dell’esistenza della particella ma per determinarne con accuratezza l’energia e dunque la massa. La solidità del risultato raggiunto è ulteriormente garantita dall’utilizzo due rivelatori indipendenti noti come ATLAS e CMS e guidati da due team di fisici che hanno misurato con metodi diversi sciami di eventi di collisione sostanzialmente identici.

E ora che il bosone di Higgs è stato trovato cosa accade?
Beh, tanto per cominciare sono partiti gli scontri ideologici tra creazionisti e razionalisti-atei o materialisti. I primi vedono nel completamento del Modello Standard una eventuale prova di un Universo ordinato da una mente intelligente, la mente di Dio. I secondi, almeno a giudicare dai roboanti titoli dei media, hanno approfittato della scoperta per affondare l’ennesimo attacco alla teologia. Steven Hawking che nel suo ultimo libro “The Grand Design” identificava la forza di gravità con l’Archè dell’Universo, ha ora riconosciuto nel bosone di Higgs il suo dio. Un repentino cambio di idee considerato che recentemente aveva scommesso $100 col suo collega Gordon Kane, un fisico della Università del Michigan, sulla INESISTENZA della particella di Higgs. Gli fa eco la nostrana e molto toscana Margherita Hack, che almeno ha il vantaggio di non averlo mai rinnegato il suo dio-Higgs. Bisogna però riconoscere che, se pure il grande pubblico ignora completamente i dettagli della faccenda, l’attributo “particella di Dio”, fa ormai parte dell’immaginario collettivo grazie all’ amplificazione datagli dei media. Eppure solo pochi sanno che l’espressione fu introdotta dall’ editore del libro “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” scritto dal premio nobel Leon Lederman in sostituzione del termine “goddam” ossia “particella maledetta” inizialmente proposta dal suo stesso autore per indicare la difficoltà della scoperta. Un attributo “infelice” ed “offensivo per i credenti”, a detta dello stesso Prof. Higgs che pur professandosi ateo, si è dimostra profondamente rispettoso dei sentimenti religiosi altrui. Per qualcun altro invece l’equazione è semplice: senza Higgs non ci sarebbe la massa, dunque niente gravità, stelle, pianeti e neanche le persone. Se dunque il bosone di Higgs è la ragione per cui esistiamo, ed il suo campo è ubiquitario perché non considerarlo come Dio? La banalità di tale ragionamento non necessita alcuna dimostrazione. Anche il campo elettromagnetico permea l’Universo, ma nessuno, a mia memoria, ha mai chiamato dio un fotone, ne tantomeno si è mai attribuita alcuna divinità all’onnipresente e ubiquitario concetto di “spazio vuoto”.

Per altri noti fisici, pezzi da 90 (sia per calibro che per “l’età media”) che forse di Dio hanno un più elevato concetto la comprensione dei misteri dell’Universo rimane ancora del tutto aperta (leggi le FAQs qui sotto). Antonio Zichichi per esempio afferma di cercare il Superhiggs, che secondo lui potrebbe aprire nuovi ed incredibili scenari. Bisogna comunque ammettere che se anche solo l’Higgs “normale” chiudesse definitivamente il Modello Standard come oggi lo conosciamo, abbiamo già la certezza di non aver neppure scalfito la punta dell’iceberg della conoscenza. Come ci confrontiamo con quel 96% di materia dell’Universo noto di cui “sentiamo” la presenza ma non ne vediamo e capiamo la forma? Il prossimo traguardo dell’LHC è senza ombra di dubbio gettar luce sulla materia cosiddetta “oscura”, che sta creando parecchi grattacapi alle attuali teorie cosmologiche. Piuttosto che garantirci l’accesso ad uno scrigno divino, la scoperta del bosone di Higgs ha aperto affascinanti interrogativi che tuttavia rimangono molto umani. Bisogna però riconoscere che forse esiste un certo “carattere divino” in questa storia.  A giudicare dai commenti sentiti in questi giorni, la particella di Higgs ha forse riavvicinato molti tra razionalisti-atei, materialisti e agnostici al concetto di Dio. Se pur inconsciamente traditi nell'intimo dalle religioni l’attrazione per la spiritualità è riemersa sotto forma di un bosone, ma in questo "campo di attrazione" nessuna particella può essere più efficace del suo stesso Creatore.

Alcune Frequently Asked Questions (FAQs) sul Bosone di Higgs.

Come vengono prodotti I bosoni di Higgs nel Large Hadron Collider (LHC)?

I protoni accelerati ad elevatissime energie nel sincrotrone LHC vengono fatti collidere liberando grandi quantità di energia. Sappiamo che l’energia può essere convertita in materia secondo la famosa equazione di Einstein E = mc². Questo è il motive per cui particelle che sono molto più pesanti dei protoni a riposo possono emergere dal vuoto nelle collisioni. Ma l’equazione di Einstein non è magia, le particelle vengono create secondo dei processi definiti. Nell’LHC il processo più probabile che crea il bosone di Higgs è la fusione di gluoni, le particelle fondamentali del campo di forza nucleare anche noto come interazione forte.

Tutti dicono che questa particella era prevista dal Modello Standard, ma come esattamente ? Che cosa mancava che ha permesso ai fisici di teorizzare l’esistenza di Higgs ?

Le proprietà delle particelle fondamentali e le forze che ne mediano le interazioni sono descritte accuratamente dal Modello Standard. Alcune particelle, come il fotone ad esempio, sono prive di massa mentre altre come i bosoni W e Z, mediatori dell’interazione debole (nel decadimento b), pesano tanto quanto degli interi atomi. I fisici si sono chiesti quale fosse il meccanismo che dota le particele di massa e vari ricercatori quasi contemporaneamente e indipendentemente hanno proposto l’esistenza di un campo pervasivo con cui tutte le particelle possono interagire. Ad una maggiore interazione con tale campo corrisponde un valore maggiore di massa, e per il fotone ovviamente l’interazione è nulla. L’attuale Prof. Peter Higgs fu il primo a suggerire in una nota in calce ad una sua pubblicazione la possibile esistenza di un bosone associato a tale campo che ha dunque preso il  suo nome (clikka qui maggiori dettagli sulla storia e l’importanza della particella di Higgs). La scoperta delle particelle di massa maggiore quali i bosoni W, Z ed il quark top ha richiesto acceleratori ad energie elevate raggiungibili solo in seguito ai più recenti sviluppi tecnologici che sono costati, va ricordato, ingenti sforzi economici. La scoperta del bosone di Higgs, l’ultima particella rimasta da trovare, era il test chiave per dimostrare la validità del Modello Standard.

Perché molti scienziati sono cauti nell’affermare che il bosone trovato sia proprio Higgs?

La massa del bosone di Higgs viene misurata all’LHC solo indirettamente, attraverso le sue reazioni di decadimento che secondo il Modello Standard producono: due fotoni, quattro leptoni, ecc. Il fatto che questi percorsi di decadimento siano stati osservati con una statistica di 5s ci dice che l’evento osservato non è casuale (la probabilità che lo sia è infatti di 1/(3.5 milioni) e dunque del tutto trascurabile), tuttavia non ci conferma pienamente che l’Higgs osservato sia la versione prevista dal Modello Standard. Le collisioni raggiunte fino ad ora non sono sufficienti per discriminare il Modello Standard da altre teorie. Una traccia particolare che ancora non è stata osservata dai due rivelatori indipendenti CMS e ATLAS è un percorso di decadimento raro che dovrebbe produrre 2 particelle tau (t). (Elettroni, muoni e t fanno parte della famiglia dei leptoni= particelle leggere). Dunque esiste la possibilità che quanto osservato sia un Higgs non standard come previsto da altre teorie come il Modello Supersimmetrico (anche detta SUSY dagli “addetti ai lavori”). SUSY prevede che le particelle osservate siano un sottoinsieme di una famiglia molto più ampia. Questo significherebbe che vi potrebbero essere multipli bosoni di Higgs e secondo teorie ancora più esotiche essi potrebbero interagire in uno spazio extra dimensionale. Il punto chiave è che se il bosone di Higgs trovato non è quello previsto dal Modello Standard significa che questo modello necessita di essere esteso oppure completamente rivisto, ma potremo dirlo solo dopo aver meglio compreso cosa siano le nuove particelle osservate.

Quali saranno i futuri programmi dell’LHC ora che Higgs è stato trovato?

E’ previsto un periodo di chiusura dell’LHC di circa un anno per poterne migliorare le prestazioni, aumentandone l’energia e portarlo al pieno delle sue potenzialità permettendo la scoperta di nuove e sconosciute particelle (diverse migliorie sono previste inclusa una revisione delle cavità superconduttive a radiofrequenza). Il direttore del CERN ha annunciato che l’LHC continuerà a funzionare prima di questo periodo di chiusura per alcuni mesi in modo da raccogliere quei dati che mancano per capire se il bosone che stiamo osservando sia l’Higgs previsto dal Modello Standard oppure no.

I soldi spesi per gli esperimenti all’LHC non potrebbero essere spesi meglio?
Prima di capire quali potrebbero essere le ricadute di questo investimento vediamo di farci un’idea di quanto ci è costato. Questo esperimento è costato (compresi i costi di costruzione dell’LHC) quasi 6 miliardi di euro. Considerando che l’Italia ha contribuito per 72 milioni di euro all'anno negli ultimi dieci anni che fanno circa 1 euretto e 20 centesimi a testa per italiano per anno negli ultimi 10 anni. In dieci anni sono in pratica il costo di una pizza (se bastano) o di un biglietto del cinema per ogni italiano. E’ difficile dire quali e quando saranno le ricadute tecnologiche di tale scoperta. Basti pensare per esempio che i primi circuiti logici sono stati considerati nel 1900; la meccanica quantistica è stata sviluppata nel 1930 ma ci sono voluti altri 40 anni affinché questi due concetti si unissero andando a dar luogo all’elettronica moderna e a tutti gli utili apparecchi che oggi utilizziamo. Nessuno ci può dire oggi quale area della ricerca di base avrà il maggiore impatto economico in 30 anni da oggi.