Dieci anni fa, gli scienziati hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs, che aiuta a spiegare perché le particelle elementari (i più piccoli elementi costitutivi della natura) hanno massa. Per i fisici delle particelle, questa è stata la fine di un viaggio decennale ed estremamente difficile, e probabilmente il risultato più importante nella storia del campo. Ma questa fine segnò anche l’inizio di una nuova era della fisica sperimentale.
Nell’ultimo decennio, le misurazioni delle proprietà del bosone di Higgs hanno confermato le previsioni del modello standard della fisica delle particelle (la nostra migliore teoria per le particelle). Ma ha anche sollevato interrogativi sui limiti di questo modello, ad esempio se esiste una teoria più fondamentale della natura.
Il fisico Peter Higgs predisse il bosone di Higgs in una serie di articoli tra il 1964 e il 1966, come inevitabile conseguenza del meccanismo responsabile della massa delle particelle elementari. Questa teoria suggerisce che le masse delle particelle sono una conseguenza delle particelle elementari che interagiscono con un campo, chiamato campo di Higgs. E secondo lo stesso modello, un tale campo dovrebbe anche dare origine a una particella di Higgs, il che significa che se il bosone di Higgs non fosse presente, questo alla fine falsificherebbe l’intera teoria.
Ma presto divenne chiaro che scoprire questa particella sarebbe stato difficile. Quando tre fisici teorici hanno calcolato le proprietà di un bosone di Higgs, hanno concluso con delle scuse. “Ci scusiamo con gli sperimentatori per non avere idea di quale sia la massa del bosone di Higgs… e per non essere sicuri dei suoi accoppiamenti con altre particelle… Per questi motivi, non vogliamo incoraggiare grandi ricerche sperimentali per il bosone di Higgs”.
Ci volle fino al 1989 perché il primo esperimento con una seria possibilità di scoprire il bosone di Higgs iniziasse la sua ricerca. L’idea era di frantumare le particelle insieme con un’energia così elevata da poter creare una particella di Higgs in un tunnel lungo 27 km al Cern di Ginevra, in Svizzera, il più grande collisore elettrone-positrone (un positrone è quasi identico a un elettrone ma ha carica opposta) mai costruito. Ha funzionato per 11 anni, ma la sua energia massima si è rivelata solo del 5% troppo bassa per produrre il bosone di Higgs.
Nel frattempo, il più ambizioso collisore americano della storia, il Tevatron, aveva iniziato a raccogliere dati al Fermilab, vicino a Chicago. Il Tevatron ha fatto scontrare protoni (che, insieme ai neutroni, costituiscono il nucleo atomico) e antiprotoni (quasi identici ai protoni ma con carica opposta) con un’energia cinque volte superiore a quella ottenuta a Ginevra – sicuramente sufficiente per fare l’Higgs. Ma le collisioni protone-antiprotone producono molti detriti, rendendo molto più difficile estrarre il segnale dai dati. Nel 2011, il Tevatron ha cessato le operazioni: il bosone di Higgs è sfuggito di nuovo al rilevamento.
Nel 2010, il Large Hadron Collider (LHC) ha iniziato a scontrarsi con i protoni con un’energia sette volte superiore rispetto al Tevatron. Infine, il 4 luglio 2012, due esperimenti indipendenti al Cern avevano raccolto dati sufficienti per dichiarare la scoperta del bosone di Higgs. L’anno successivo, Higgs e il suo collaboratore François Englert vinsero il premio Nobel “per la scoperta teorica di un meccanismo che contribuisce alla nostra comprensione dell’origine della massa delle particelle subatomiche”.
Senza il bosone di Higgs, l’intera struttura teorica che descrive la fisica delle particelle alle sue scale più piccole va in pezzi. Le particelle elementari sarebbero prive di massa, non ci sarebbero atomi, esseri umani, sistemi solari e strutture nell’universo.
Problemi all’orizzonte
Eppure la scoperta ha sollevato nuove, fondamentali domande. Gli esperimenti al Cern hanno continuato a sondare il bosone di Higgs. Le sue proprietà non determinano solo le masse delle particelle elementari, ma anche la loro stabilità. Allo stato attuale, i risultati indicano che il nostro universo non è in uno stato perfettamente stabile. Invece, come il ghiaccio al punto di fusione, l’universo potrebbe improvvisamente subire una rapida “transizione di fase”. Ma piuttosto che passare da un solido a un liquido, come il ghiaccio che passa all’acqua, ciò comporterebbe un cambiamento cruciale delle masse e delle leggi della natura nell’universo.
Il fatto che l’universo sembri comunque stabile suggerisce che nei calcoli potrebbe mancare qualcosa, qualcosa che non abbiamo ancora scoperto.
Dopo una pausa di tre anni per manutenzione e aggiornamenti, le collisioni all’LHC stanno per riprendere con un’energia senza precedenti, quasi il doppio di quella utilizzata per rilevare il bosone di Higgs. Questo potrebbe aiutare a trovare le particelle mancanti che allontanano il nostro universo dall’apparente lama di coltello tra l’essere stabile e la rapida transizione di fase.
L’esperimento potrebbe aiutare a rispondere anche ad altre domande. Le proprietà uniche del bosone di Higgs potrebbero renderlo un portale per la scoperta della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della materia nell’universo? La materia oscura non viene addebitata. E il bosone di Higgs ha un modo unico di interagire con la materia non caricata.
Le stesse proprietà uniche hanno portato i fisici a chiedersi se il bosone di Higgs potrebbe non essere una particella fondamentale, dopotutto. Potrebbe esserci una nuova forza sconosciuta al di là delle altre forze della natura: gravità, elettromagnetismo e forze nucleari deboli e forti? Forse una forza che lega particelle finora sconosciute in un oggetto composito che chiamiamo bosone di Higgs?
Tali teorie possono aiutare ad affrontare i controversi risultati di recenti misurazioni che suggeriscono che alcune particelle non si comportano esattamente nel modo in cui il modello standard suggerisce che dovrebbero. Quindi studiare il bosone di Higgs è fondamentale per capire se c’è una fisica da scoprire oltre il modello standard.
Alla fine, l’LHC incontrerà lo stesso problema del Tevatron. Le collisioni di protoni sono disordinate e l’energia delle sue collisioni raggiungerà solo fino a un certo punto. Anche se disponiamo dell’intero arsenale della moderna fisica delle particelle, inclusi rivelatori sofisticati, metodi di rilevamento avanzati e apprendimento automatico, c’è un limite a ciò che l’LHC può ottenere.
Un futuro collisore ad alta energia, specificamente progettato per produrre bosoni di Higgs, ci consentirebbe di misurare con precisione le sue proprietà più importanti, incluso il modo in cui il bosone di Higgs interagisce con altri bosoni di Higgs. Questo a sua volta determinerebbe come il bosone di Higgs interagisce con il proprio campo. Lo studio di questa interazione potrebbe quindi aiutarci a sondare il processo sottostante che fornisce le masse delle particelle. Qualsiasi disaccordo tra la previsione teorica e una misurazione futura sarebbe un chiaro segno che dobbiamo inventare una fisica nuova di zecca.
Queste misurazioni avranno un impatto profondo che va ben oltre la fisica dei collisori, guidando o vincolando la nostra comprensione dell’origine della materia oscura, della nascita del nostro universo e, forse, del suo destino finale.
Autore
Martin Bauer, Stephen Jones, Università di Durham
