La particella di Dio per i profani : COS'E'  ?

Roberto Fieschi

Ho letto molti articoli divulgativi su quotidiani e periodici; la maggior parte di essi non tenta di spiegare il significato di questa importante scoperta e ricorre a richiami suggestivi – particella di Dio, dare la massa all’Universo, superstringhe, la particella che rende possibile la nostra stessa esistenza, ecc. – che tuttavia non entrano nel cuore del problema. Cercherò invece di spiegare qualcosa, anche se è difficile, perché ardui sono (anche per me) il linguaggio e i concetti della teoria più accreditata della fisica delle particelle elementari: il Modello Standard.

Spiegare questo modello, i suoi successi e le residue difficoltà è come tentare di spiegare la relatività a chi non conosce la meccanica classica, anzi, è ancora più difficile. Portate pazienza.

Incominciamo dall’origine del nome.

Satyendra Nath Bose

Satyendra Nath Bose fu un fisico e matematico indiano (Calcutta 1894- 1974). Il suo nome resta particolarmente legato alla statistica (1) formulata insieme ad Einstein.

Bosone, dal nome del fisico indiano, indica ogni particella elementare che ubbidisce alla statistica di Bose-Einstein; sono bosoni le particelle che hanno spin intero o nullo. Questa statistica dice che un numero illimitato di particelle possono occupare lo stesso stato energetico contemporaneamente. Spin è il momento angolare delle particelle elementari (2), che si comportano come se fossero piccole trottole; il valore dello spin, in unità che non è necessario qui specificare, è 0, 1/2, 1, 3/2, eccetera.

Le particelle che hanno spin semi-intero  (1/2, 3/2, …) sono chiamate fermioni e seguono una statistica differente (3). Quelle che hanno spin nullo o intero sono chiamate appunto bosoni. Il fotone, la particella della luce e, più in generale, delle onde elettromagnetiche, ha spin 1, quindi è un bosone.

Peter Ware Higgs Newcastle upon Tyne, 1929) è un fisico scozzese. È principalmente noto per la proposta avanzata negli anni sessanta, all’interno della teoria che mira a spiegare l’origine della massa delle particelle elementari, difficoltà che il Modello Standard non era in grado di giustificare. Il meccanismo proposto da Higgs predice l’esistenza di una nuova particella subatomica. Questa è stata poi denominata bosone di Higgs.

E’ così chiarito cosa accomuna i nomi dei due fisici nella particella della quale ora, e giustamente, tanto si parla.

Sebbene il bosone di Higgs non fosse stato ancora rilevato sperimentalmente, il meccanismo di Higgs era già da tempo generalmente accettato come il necessario ingrediente del Modello Standard, il modello teorico più accreditato che descrive tre delle quattro forze fondamentali dell’Universo. Si prevedeva che il Large Hadron Collider (LHC) presso il Cern di Ginevra, il più grande acceleratore di particelle mai costruito,  potesse verificarne l’esistenza. Poiché la massa prevista per il bosone è grande, per crearlo è necessario disporre di un acceleratore  capace di imprimere grande energia alle particelle (protoni) accelerate, in modo che, nella collisione,  parte dell’energia dei protoni si trasformi nella massa delle particelle generate; e per rivelarlo sono necessari grandi rivelatori, in grado di raccogliere e misurare le particelle che hanno origine dalla sua disintegrazione – il bosone di Higgs ha infatti una vita brevissime ed è previsto che dia subito origine a due raggi gamma contrapposti, ossia a due fotoni di grande energia..

Il 4 luglio 2012 il Cern ha annunciato, nell’ambito degli esperimenti ATLAS e CMS, l’osservazione di una particella “compatibile” con il bosone di Higgs. L’esperimento ATLAS è lungo 45 metri, largo 25 e pesa 7000 tonnellate, come la Torre Eiffel. L’esperimento CMS è il più grande solenoide superconduttore mai costruito; pesa 13000 tonnellate; nella bobina passa una corrente di 20.000 Ampere. Intorno a questo rivelatore hanno lavorato circa 3000 persone, tra scienziati e tecnici. I due enormi impianti sono collocati intorno ai punti dove i due fasci di protoni, che procedono in verso opposto, vengono fatti scontrare; lì l’enorme energia dei protoni si converte nella creazione di un gran numero di particelle, che lasciano le loro tracce nei due rivelatori. Dall’analisi di queste tracce si può risalire a cosa è stato creato nella collisione, e l’analisi ha appunto indicato che una delle particelle create ha le caratteristiche previste del bosone di Higgs, anche se alcune sue proprietà vanno ancora accertate e qualche cautela è necessaria.

Il Modello Standard è la teoria che i fisici usano per descrivere il tutte le particelle elementari e le forze che agiscono tra queste, quindi anche la materia ordinaria di cui noi, e tutto ciò che è visibile nell’Universo, siamo fatti. La materia ordinaria è  fatta di particelle stabili, come l’elettrone, ma esistono molte altre particelle, centinaia,  che non sono stabili, che cioè,  in un tempo più o meno breve, si trasformano in altre particelle.

La teoria deve rendere conto dell’esistenza di tutte queste particelle, delle loro proprietà e di tutti questi fenomeni. Essa descrive tre dei quattro campi fondamentali (4), ossia delle quattro interazioni note (l’interazione nucleare forte, elettromagnetica e debole – le ultime due unificate nell’interazione elettrodebole) e tutte le particelle elementari ad esse collegate. La forza gravitazionale rimane l’unica interazione a non essere descritta dal modello.Queste forze, queste interazioni, per agire, hanno bisogno dell’esistenza di altre particelle mediatrici, appunto dei bosoni, i bosoni di gauge. Il bosone che media le interazioni elettromagnetiche è il fotone; quelli dell’interazione debole sono i bosoni W^- ,W⁺ e Z; quelli dell’interazione forte sono i gluoni, che tengono insieme i quark nei protoni e nei neutroni.

Peter Higgs

Le previsioni del Modello Standard sono state in larghissima parte verificate sperimentalmente con un’ottima precisione:  il modello ha predetto l’esistenza dei bosoni W e Z (quelli scoperti da Carlo Rubbia, premio Nobel), e di altre particelle (gluone, quark top e charm) prima che esse venissero osservate. Alla base della teoria c’è un principio di simmetria: così come una sfera è sempre uguale a sé stessa per qualsiasi trasformazione di rotazione intorno a un asse passante per il suo centro, la teoria non varia  sotto opportune trasformazioni, dette trasformazioni di gauge (invarianza di gaugedei campi).

Tuttavia le teorie di gauge  non sono in grado di descrivere le masse dei bosoni, e questo non spiega quanto viene osservato sperimentalmente: una carenza non da poco!

Peter Higgs formulò un’ipotesi per risolvere questo problema di incoerenza: se nel Modello si include un ulteriore campo di forze, il campo di Higgs, che pervade tutto l’Universo, la simmetria delle trasformazioni di gauge manca, si ha cioè la rottura della simmetria (5); allora il Modello  Standard prevede – non chiedetemi come – anche la massa dei bosoni responsabili dell’interazione debole. Questo nuovo campo  implica l’esistenza di un nuovo bosone massivo, con spin nullo, il bosone di Higgs, appunto. Se il bosone di Higgs viene trovato, allora la teoria che lo prevede è soddisfacente e il Modello Standard è salvo.

Per verificare se il campo di Higgs  esiste, lo si deve costringere a manifestarsi, e questo si ottiene concentrando sufficiente energia in qualche punto dello spazio, in modo da produrre il bosone ad esso associato. A questo servono le collisioni tra i due fasci di protoni del LHC.

Poiché la massa dei bosoni W^- , W⁺e Z c’è davvero, allora deve esistere anche il bosone di Higgs. Questo pensavano da decenni quasi tutti i fisici che si occupano delle interazioni fondamentali, e per questo alla nuova particella è stata data una caccia spietata: il Modello Standard è salvo, con grande sollievi dei miei amici fisici teorici.

Tutto chiaro? Per me no, ma ho fatto del mio meglio.

(1) La statistica, in generale, dice come si comporta un insieme di molte particelle, in particolare di particelle identiche e indistinguibili.

(2) Una particella elementare è il costituente elementare della materia, un oggetto indivisibile, che non è composto da particelle più semplici. L’elettrone è una particella elementare.

(3) Statistica dei fermioni:  non più di una particella può stare nello stesso stato energetico, o, meglio, nello stesso stato quantico. L’elettrone ha spin 1/2, quindi è un fermione, e così il protone e i quark che lo compongono.

(4) Il “campo” è un’entità che esiste in ogni punto dello spazio. Ad esempio, c’è il campo gravitazionale, che descrive l’azione delle forze gravitazionali, il campo elettrico, che circonda ogni carica elettrica, il campo magnetico, intorno a una calamita, ed altri campi più difficili da descrivere in termini semplici.

(5) Tento di dare un esempio intuitivo della rottura della simmetria nel caso semplice di simmetria geometrica. Un liquido normale, omogeneo,  gode della proprietà di essere simmetrico rispetto alle rotazioni di un angolo qualsiasi intorno a un asse qualsiasi, ossia, se lo ruotiamo, resta uguale a prima della rotazione; però, se il liquido, raffreddato, cristallizza, allora solo alcune delle rotazioni possibili e intorno solo ad alcuni assi di rotazione lasciano il cristallo invariato. Si è avuta la rottura della simmetria precedente, più generale.

Pensiamo a un cubo, facciamolo ruotare intorno a un asse perpendicolare a una faccia e passante per il centro: la rotazione di 90 gradi (o di suoi multipli) lo lascia invariato, ma tutte le altre rotazioni  portano a configurazioni differenti: la simmetria per qualunque angolo di rotazione presente nel liquido, o in una sfera, è perduta, cioè si è avuta la rottura della simmetria.