Quando il 4 luglio 2012 i ricercatori del Large Hadron Collider annunciarono la scoperta del bosone di Higgs, il fisico Peter Higgs reagì alla rivendicazione del suo più importante lavoro teorico in modo tipicamente mite, dicendo: “È molto bello avere ragione a volte.“
La scoperta ha innescato festeggiamenti globali nella comunità della fisica delle particelle. Fino ad allora il bosone di Higgs era l’unica particella del Modello Standard della fisica delle particelle che non era ancora stata misurata sperimentalmente.
Cercarlo è stata una motivazione chiave per costruire l’LHC e la domanda determinante per molti ricercatori di fisica delle particelle.
Il suo ritrovamento ha confermato le previsioni di vecchia data sulle particelle fondamentali e sulle forze che governano l’universo.
La particella di Dio!
Il bosone di Higgs è una particella fondamentale nel Modello Standard della fisica delle particelle, e la sua massa è determinata sperimentalmente.
Il meccanismo di Higgs, che spiega come le particelle acquisiscono massa, coinvolge il campo di Higgs e la sua energia potenziale. L’energia potenziale del campo di Higgs è spesso rappresentata dalla seguente formula:
Dove:
(phi) rappresenta il campo di Higgs
(mu) & (lamba) sono costanti
Questa funzione di energia potenziale ha una forma a “cappello messicano” o “sombrero”, che porta alla rottura spontanea della simmetria e conferisce massa alle particelle attraverso le loro interazioni con il campo di Higgs.
Nel 2024 la comunità dei fisici si è riunita di nuovo, questa volta per piangere la scomparsa di Higgs all’età di 94 anni.
Non era affatto vero che la particella prevista da Higgs sarebbe stata trovata durante la vita di Higgs.
La struttura matematica che implicava l’esistenza del bosone non specificava quale massa avrebbe posseduto, il che significa che i fisici avrebbero dovuto cercarlo ovunque in un ampio intervallo.
Gli scienziati finalmente si sono concentrati su di esso 48 anni dopo che Higgs e altri ne avevano proposto l’esistenza. Nessun’altra particella fondamentale ha impiegato così tanto tempo per essere trovata.
Come afferma Reina Camacho Toro, fisica sperimentale delle particelle presso l’Università Paris Cité e il CERN, la storia decennale della previsione e del rilevamento del bosone di Higgs evidenzia “l’importanza di lavorare insieme, così come la comunicazione tra la comunità teorica e la comunità sperimentale”.
Manca il quadro più ampio
Nato a Newcastle upon Tyne, Higgs ha completato il dottorato di ricerca al Kings College di Londra e ha poi continuato le sue ricerche presso l’Università di Edimburgo. Lì pubblicò il suo articolo più famoso, nel 1964.
A quel tempo, il Modello Standard della fisica delle particelle non era ancora stato concepito.
I fisici stavano ancora cercando di dare un senso al serraglio di particelle chiamate adroni che venivano continuamente scoperte nei primi esperimenti con acceleratori e raggi cosmici.
Non sapevano ancora che quelle particelle erano tutte combinazioni di un insieme molto più piccolo di particelle fondamentali, i quark, legate insieme dalla forza forte.
I fisici conoscevano la forza forte, che tiene insieme le particelle che compongono i nuclei degli atomi.
Conoscevano anche la forza debole, che avevano osservato svolgere il suo ruolo determinante nel decadimento radioattivo.
E la nuova teoria dell’elettrodinamica quantistica descriveva chiaramente il modo in cui le cariche elettriche e magnetiche si combinavano nell’interazione elettromagnetica.
I fisici tentarono di trovare una teoria del campo analoga per combinare le forze forti e deboli, ma non riuscirono a realizzarla.
Il problema era legato alle particelle portatrici della forza debole, chiamate bosoni W e Z.
Mentre tutte le altre particelle portatrici di forza sono prive di massa, i bosoni W e Z non lo sono.
I fisici non sono riusciti a capire perché i bosoni W e Z fossero diversi. Perché erano le uniche particelle portatrici di forza dotate di massa?
Le insolite particelle hanno rotto una simmetria in natura!
Nel 1964 Higgs pubblicò un articolo in cui spiegava come la simmetria avrebbe potuto essere rotta.
Per dirla in modo molto più semplice, immaginate che l’universo primordiale fosse riempito da un campo simmetrico ma instabile, responsabile di fornire masse di particelle che possono, con il tempo, stabilizzarsi in uno stato più stabile.
Questa trasformazione avrebbe potuto mantenere la simmetria matematica delle equazioni che spiegano le diverse forze, ma ha invece prodotto una differenza osservabile tra le particelle che trasportano quelle forze.
Il campo brevemente instabile, ora noto come campo di Higgs, ha reso possibile la presenza di enormi quantità di bosoni W e Z.
Higgs sviluppò ulteriormente le sue idee in un articolo successivo, in cui delineava quello che alla fine sarebbe stato riconosciuto come “il modello di Higgs“.
La rivista accademica Physics Letters inizialmente rifiutò l’articolo a causa della percepita mancanza di urgenza nel pubblicizzare la teoria.
Dopo aver ricevuto questa notizia, Higgs revisionò il documento. Attirò l’attenzione sulla possibilità che questo campo fosse associato ad un bosone massiccio a cui alludevano, anche in un articolo scritto, i fisici teorici Francois Englert e Robert Brout.
Il nuovo bosone sarebbe stato diverso da tutti gli altri: tutti avrebbero avuto una proprietà chiamata spin, mentre il nuovo bosone avrebbe avuto spin zero.
In questo modo Higgs, aveva dato ai fisici sperimentali un modo per dimostrare che la teoria era corretta. Non restava che aprire la caccia al nuovo bosone!
Physics Letters accettò l’articolo, ma ci vollero anni prima che la comunità di ricerca gli prestasse molta attenzione.
Una scoperta enorme
La ricerca del bosone di Higgs ha occupato la fisica delle particelle per gran parte della seconda metà del ventesimo secolo e fino al ventunesimo secolo.
Tuttavia la sua scoperta è solo la prima scena nella storia della particella, con molti capitoli importanti ancora da scrivere.
Anche i fatti fondamentali sulla particella devono ancora essere stabiliti, ad esempio se il bosone è una particella fondamentale o ha una struttura interna.
I fisici teorici sono oggi interessati ad approfondire l’accoppiamento trilineare di Higgs, una misurazione che fornirebbe informazioni cruciali su come i bosoni di Higgs vengono prodotti in coppia all’interno del Modello Standard.
Dal punto di vista sperimentale, l’enorme quantità di dati raccolti durante la seconda fase dell’LHC ha permesso agli esperimenti ATLAS e CMS del CERN di stabilire con precisione come l’Higgs si accoppia con particelle fondamentali come il quark top, il quark bottom e il leptone tau.
Ma c’è ancora molto lavoro da fare. Come sottolinea Camacho Toro, “ci sono altri accoppiamenti che non abbiamo ancora osservato, come ad esempio gli accoppiamenti ai quark charm o gli accoppiamenti addirittura con gli elettroni o i muoni“.
Il bosone di Higgs continuerà a confermare le previsioni dei teorici o a costringerli a fornire nuove spiegazioni.
Tuttavia una cosa è certa: la ricerca sull’Higgs rimane un campo vivace, sia sul fronte sperimentale che su quello teorico.
Inseguendo le stelle 