In parole povere, il bosone di Higgs è la particella più costosa di tutti i tempi. Se, ad esempio, sono bastati un tubo a vuoto e un paio di menti brillanti per scoprire l'elettrone, la ricerca del bosone di Higgs ha richiesto la creazione di energia sperimentale, che raramente si trova sulla Terra. Il Large Hadron Collider non ha bisogno di presentazioni, essendo uno degli esperimenti scientifici più famosi e di successo, ma la sua particella di profilo, come prima, è avvolta nel mistero per la maggior parte della popolazione. È stato chiamato una particella di Dio, tuttavia, grazie agli sforzi di letteralmente migliaia di scienziati, non dobbiamo più accettare la sua esistenza per fede.
Ultimo sconosciuto
Cos'è il bosone di Higgs e qual è l'importanza della sua scoperta? Perché è diventato oggetto di così tanto clamore, finanziamenti e disinformazione? Per due ragioni. In primo luogo, è stata l'ultima particella non scoperta necessaria per confermare il modello standard della fisica. La sua scoperta significava che un'intera generazione di pubblicazioni scientifiche non era stata vana. In secondo luogo, questo bosone conferisce ad altre particelle la loro massa, che gli conferisce un significato speciale e una certa "magia". Tendiamo a pensaremassa come proprietà intrinseca delle cose, ma i fisici la pensano diversamente. In parole povere, il bosone di Higgs è una particella senza la quale in linea di principio non esiste massa.
Un altro campo
Il motivo risiede nel cosiddetto campo di Higgs. Fu descritto anche prima del bosone di Higgs, perché i fisici lo calcolarono per i bisogni delle proprie teorie e osservazioni, che richiedevano la presenza di un nuovo campo, la cui azione si estenderebbe all'intero Universo. Rafforzare le ipotesi inventando nuovi componenti dell'universo è pericoloso. In passato, ad esempio, ciò ha portato alla creazione della teoria dell'etere. Ma più calcoli matematici venivano fatti, più i fisici capivano che il campo di Higgs doveva esistere nella re altà. L'unico problema era la mancanza di mezzi pratici per osservarlo.
Nel Modello standard della fisica, le particelle elementari acquistano massa attraverso un meccanismo basato sull'esistenza del campo di Higgs che permea tutto lo spazio. Crea bosoni di Higgs, che richiedono molta energia, e questo è il motivo principale per cui gli scienziati hanno bisogno di moderni acceleratori di particelle per condurre esperimenti ad alta energia.
Da dove viene la massa?
La forza delle interazioni nucleari deboli diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza. Secondo la teoria quantistica dei campi, ciò significa che le particelle coinvolte nella sua creazione - i bosoni W e Z - devono avere massa, a differenza dei gluoni e dei fotoni, che non hanno massa.
Il problema è che le teorie di gauge trattano solo di elementi privi di massa. Se i bosoni di gauge hanno massa, allora tale ipotesi non può essere definita ragionevolmente. Il meccanismo di Higgs evita questo problema introducendo un nuovo campo chiamato campo di Higgs. Ad alte energie, i bosoni di gauge non hanno massa e l'ipotesi funziona come previsto. A basse energie, il campo provoca una rottura di simmetria che consente agli elementi di avere massa.
Cos'è il bosone di Higgs?
Il campo di Higgs produce particelle chiamate bosoni di Higgs. La loro massa non è specificata dalla teoria, ma come risultato dell'esperimento è stato determinato che è pari a 125 GeV. In parole povere, il bosone di Higgs ha definitivamente confermato l'esistenza del Modello Standard.
Meccanismo, campo e bosone portano il nome dello scienziato scozzese Peter Higgs. Sebbene non sia stato il primo a proporre questi concetti, ma, come spesso accade in fisica, è semplicemente capitato a lui di essere quello da cui hanno preso il nome.
Simmetria rotta
Si pensava che il campo di Higgs fosse responsabile del fatto che le particelle che non avrebbero dovuto avere massa lo facevano. Questo è un mezzo universale che fornisce particelle prive di massa con masse diverse. Tale violazione della simmetria è spiegata per analogia con la luce: tutte le lunghezze d'onda si muovono nel vuoto con la stessa velocità, mentre in un prisma è possibile distinguere ciascuna lunghezza d'onda. Questa è, ovviamente, un'analogia errata, poiché la luce bianca contiene tutte le lunghezze d'onda, ma l'esempio mostra comela creazione di massa da parte del campo di Higgs sembra essere dovuta alla rottura della simmetria. Un prisma rompe la simmetria della velocità di diverse lunghezze d'onda della luce separandole, e si pensa che il campo di Higgs rompa la simmetria delle masse di alcune particelle che altrimenti sarebbero simmetricamente prive di massa.
Come spiegare il bosone di Higgs in termini semplici? Solo di recente i fisici si sono resi conto che se il campo di Higgs esiste davvero, il suo funzionamento richiederà la presenza di un vettore appropriato con proprietà grazie alle quali può essere osservato. Si presumeva che questa particella appartenesse ai bosoni. In parole povere, il bosone di Higgs è la cosiddetta forza portante, la stessa dei fotoni, che sono portatori del campo elettromagnetico dell'Universo. I fotoni, in un certo senso, sono le sue eccitazioni locali, proprio come il bosone di Higgs è un'eccitazione locale del suo campo. Dimostrare l'esistenza di una particella con le proprietà attese dai fisici equivaleva, infatti, a provare direttamente l'esistenza di un campo.
Esperimento
Molti anni di pianificazione hanno permesso al Large Hadron Collider (LHC) di diventare una testimonianza di una potenziale confutazione della teoria del bosone di Higgs. Un anello di 27 km di elettromagneti super potenti può accelerare le particelle cariche a frazioni significative della velocità della luce, causando collisioni abbastanza forti da separarle nei loro componenti, oltre a deformare lo spazio attorno al punto di impatto. Secondo i calcoli, a un'energia di collisione di livello sufficientemente alto, è possibile caricare un bosone in modo che decada, e questo può essereguarderò. Questa energia era così grande che alcuni furono persino presi dal panico e predissero la fine del mondo, e la fantasia di altri andò così lontano che la scoperta del bosone di Higgs fu descritta come un'opportunità per guardare in una dimensione alternativa.
Conferma finale
Le osservazioni iniziali sembravano effettivamente smentire le previsioni e non è stato possibile trovare alcun segno della particella. Alcuni dei ricercatori coinvolti nella campagna per spendere miliardi di dollari sono persino apparsi in televisione e hanno affermato docilmente il fatto che confutare una teoria scientifica è importante tanto quanto confermarla. Dopo qualche tempo, tuttavia, le misurazioni hanno iniziato a sommarsi al quadro generale e il 14 marzo 2013 il CERN ha annunciato ufficialmente la conferma dell'esistenza della particella. Ci sono prove che suggeriscono l'esistenza di più bosoni, ma questa idea necessita di ulteriori studi.
Due anni dopo che il CERN aveva annunciato la scoperta della particella, gli scienziati che lavoravano al Large Hadron Collider sono stati in grado di confermarlo. Da un lato, questa è stata un'enorme vittoria per la scienza e, dall' altro, molti scienziati sono rimasti delusi. Se qualcuno avesse sperato che il bosone di Higgs sarebbe stato la particella che avrebbe portato a regioni strane e meravigliose oltre il Modello Standard - supersimmetria, materia oscura, energia oscura - allora, sfortunatamente, non è stato così.
Uno studio pubblicato su Nature Physics ha confermato il decadimento in fermioni. Il modello standard prevede che, in termini semplici, il bosoneL'Higgs è la particella che dà massa ai fermioni. Il rivelatore del collisore CMS ha finalmente confermato il loro decadimento in fermioni - quark down e leptoni tau.
Bosone di Higgs in parole povere: che cos'è?
Questo studio ha finalmente confermato che questo è il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. Si trova nella regione di massa-energia di 125 GeV, non ha spin e può decadere in molti elementi più leggeri: coppie di fotoni, fermioni, ecc. Grazie a ciò, possiamo affermare con sicurezza che il bosone di Higgs, in termini semplici, è una particella che dà massa a tutto.
Deluso dal comportamento predefinito di un elemento appena aperto. Se il suo decadimento fosse anche leggermente diverso, sarebbe correlato ai fermioni in modo diverso e emergerebbero nuove strade di ricerca. D' altra parte, questo significa che non abbiamo fatto un solo passo oltre il Modello Standard, che non tiene conto della gravità, dell'energia oscura, della materia oscura e di altri bizzarri fenomeni della re altà.
Ora si può solo indovinare cosa li abbia causati. La teoria più popolare è la supersimmetria, che afferma che ogni particella nel Modello Standard ha un superpartner incredibilmente pesante (che costituisce quindi il 23% dell'universo: la materia oscura). L'aggiornamento del collisore, raddoppiando la sua energia di collisione a 13 TeV, consentirà probabilmente di rilevare queste superparticelle. Altrimenti, la supersimmetria dovrà attendere la costruzione di un successore più potente dell'LHC.
Ulteriori prospettive
Quindi come sarà la fisica dopo il bosone di Higgs? L'LHC ha recentemente ripreso il suo lavoro con miglioramenti significativi ed è in grado di vedere di tutto, dall'antimateria all'energia oscura. Si ritiene che la materia oscura interagisca con la materia ordinaria esclusivamente attraverso la gravità e attraverso la creazione di massa, e il significato del bosone di Higgs è la chiave per capire esattamente come ciò avvenga. Lo svantaggio principale del Modello Standard è che non può spiegare gli effetti della gravità - un tale modello potrebbe essere chiamato la Teoria della Grande Unificata - e alcuni credono che la particella e il campo di Higgs potrebbero essere il ponte che i fisici sono così disperati da trovare.
L'esistenza del bosone di Higgs è stata confermata, ma la sua piena comprensione è ancora molto lontana. Gli esperimenti futuri confuteranno la supersimmetria e l'idea della sua decomposizione nella stessa materia oscura? O confermeranno ogni minimo dettaglio delle previsioni del Modello Standard sulle proprietà del bosone di Higgs e porranno fine a quest'area di ricerca per sempre?
