Un bilancio vero a due lustri dalla scoperta del Bosone di Higgs

Dieci anni or sono, esattamente il 4 luglio 2012, presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra fu annunciato la scoperta di una nuova particella con caratteristiche coerenti con quelle del Bosone di Higgs, previsto dal Modello Standard della Fisica delle Particelle.

La scoperta, dovuta alle collaborazioni fra i progetti ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid), è stata una pietra miliare nella storia della scienza e ha catturato l’attenzione del mondo.

Un anno dopo è valsa a François Englert e Peter Higgs il Premio Nobel per la Fisica per la loro previsione, fatta decenni prima insieme al compianto Robert Brout, di un nuovo campo fondamentale, noto come “Campo di Higgs”, che pervade l’universo, si manifesta come Bosone di Higgs e conferisce massa alle particelle elementari.

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Un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang…

“La scoperta del Bosone di Higgs è stata una pietra miliare nella fisica delle particelle. Ha segnato sia la fine di un viaggio di esplorazione durato decenni, sia l’inizio di una nuova era di studi su questa particella così speciale”, afferma Fabiola Gianotti, Direttore Generale del CERN e capo progetto (“portavoce”) dell’esperimento ATLAS al momento della scoperta.

“Ricordo con emozione il giorno dell’annuncio, una giornata di immensa gioia per la comunità mondiale della fisica delle particelle e per tutte le persone che hanno lavorato instancabilmente per decenni per rendere possibile questa scoperta”.

In soli dieci anni i fisici hanno fatto enormi passi avanti nella comprensione dell’universo, non soltanto confermando subito che la particella scoperta nel 2012 è effettivamente il Bosone di Higgs, ma anche permettendo ai ricercatori di iniziare a costruire un nuovo quadro d’indagine legato alla presenza pervasiva di un “Campo di Higgs” in tutto l’universo, stabilitosi un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang.

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Né momento angolare intrinseco, né spin quantistico…

La nuova particella scoperta dalle collaborazioni internazionali ATLAS e CMS nel 2012 è apparsa molto simile al Bosone di Higgs previsto dal predetto Modello Standard della Fisica. Ma si trattava davvero della tanto ricercata particella?

Non appena la scoperta è stata fatta, ATLAS e CMS hanno iniziato a studiare in dettaglio se le proprietà della particella che avevano scoperto corrispondevano davvero a quelle previste dal Modello Standard.

Utilizzando i dati della disintegrazione, o “decadimento”, della nuova particella in due fotoni, i portatori della forza elettromagnetica, gli esperimenti hanno dimostrato che la nuova particella non ha momento angolare intrinseco, o spin quantistico, esattamente come il Bosone di Higgs previsto dal Modello Standard.

Al contrario, tutte le altre particelle elementari conosciute hanno spin: le particelle di materia, come i quark “up” e “down” che formano i protoni e i neutroni, e le particelle che trasportano la forza, come i bosoni W e Z.

Osservando i Bosoni di Higgs che vengono prodotti e decadono in coppie di bosoni W o Z, ATLAS e CMS hanno confermato che questi guadagnano la loro massa attraverso le interazioni con il “Campo di Higgs”, come previsto dalla teoria “classica”.

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Il perché del breve raggio d’azione della forza debole

La forza di queste interazioni spiega il breve raggio d’azione della forza debole, che è responsabile di una forma di radioattività e avvia la reazione di fusione nucleare che alimenta il Sole.

Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il quark superiore, il quark inferiore e il leptone tau (che sono i fermioni più pesanti) ottengono la loro massa dalle interazioni con il “Campo di Higgs”, come previsto dal predetto Modello Standard.

Ciò è avvenuto osservando, nel caso del quark top, la produzione del Bosone di Higgs insieme a coppie di quark top e, nel caso del quark bottom e del leptone tau, il decadimento del Bosone rispettivamente in coppie di quark bottom e leptoni tau.

Queste osservazioni hanno confermato l’esistenza di un’interazione, o forza, chiamata “Interazione Yukawa”, che fa parte del Modello Standard, ma è diversa da tutte le altre forze del Modello Standard: è mediata dal Bosone di Higgs e la sua forza non è quantizzata, cioè non si presenta in multipli di una certa unità.

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Massa alle particelle elementari a 125 miliardi di elettronvolt

ATLAS e CMS hanno misurato la massa del Bosone di Higgs a 125 miliardi di elettronvolt (GeV), con una precisione impressionante di quasi una parte per milione.

La massa del Bosone di Higgs è una costante fondamentale della natura che non è prevista dal Modello Standard.

Inoltre, insieme alla massa della più pesante particella elementare conosciuta, il quark top, e ad altri parametri, la massa del Bosone di Higgs può determinare la stabilità del vuoto dell’universo.

Questi sono soltanto alcuni dei risultati concreti di dieci anni di esplorazione del Bosone di Higgs presso il collisore più grande e potente del mondo, l’unico posto al mondo dove questa particella unica può essere prodotta e studiata in dettaglio.

“Gli ampi campioni di dati forniti da LHC, le eccezionali prestazioni dei rivelatori ATLAS e CMS e le nuove tecniche di analisi hanno permesso a entrambe le collaborazioni scientifiche di estendere la sensibilità delle loro misurazioni del Bosone di Higgs al di là di quanto si pensava fosse possibile quando gli esperimenti sono stati progettati”, afferma il portavoce di ATLAS, Andreas Hoecker.

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Più di 60 particelle composite previste dal Modello Standard

Inoltre, da quando il Large Hadron Collider ha iniziato a far scontrare i protoni a energie record nel 2010, e grazie alla sensibilità e alla precisione senza precedenti dei quattro esperimenti principali, le collaborazioni del LHC hanno scoperto più di 60 particelle composite previste dal Modello Standard, alcune delle quali sono esotici “tetraquark” e “pentaquark”.

Gli esperimenti hanno anche rivelato una serie di intriganti indizi di deviazioni dal Modello Standard che richiedono ulteriori indagini e hanno studiato il plasma quark-gluon che ha riempito l’universo nei suoi primi momenti con un dettaglio senza precedenti.

Hanno inoltre osservato molti processi particellari rari, effettuato misurazioni sempre più precise dei fenomeni del Modello Standard della Fisica delle Particelle e aperto nuovi orizzonti nella ricerca di nuove particelle al di là di quelle previste dal Modello Standard, comprese quelle che potrebbero costituire la materia oscura che rappresenta la maggior parte della massa dell’universo.

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Le innovazione appena dal 5 per cento della quantità di dati

I risultati di queste ricerche aggiungono importanti tasselli alla nostra comprensione della fisica fondamentale.

“Le scoperte nella fisica delle particelle non devono necessariamente significare nuove particelle”, afferma Joachim Mnich, direttore del CERN per la ricerca e il calcolo.

“I risultati del Large Hadron Collider ottenuti in un decennio di funzionamento della macchina ci hanno permesso di stendere una rete molto più ampia nelle nostre ricerche, stabilendo forti limiti sulle possibili estensioni del Modello Standard, e di elaborare nuove tecniche di ricerca e di analisi dei dati”.

È sorprendente che tutti i risultati ottenuti finora dal LHC si basino su appena il 5 per cento della quantità totale di dati che il collisore fornirà nel corso della sua vita.

“Con questo ‘piccolo’ campione, il Large Hadron Collider ci ha permesso di fare grandi passi avanti nella comprensione delle particelle elementari e delle loro interazioni”, afferma il teorico del CERN Michelangelo Mangano.

“E sebbene tutti i risultati ottenuti finora siano coerenti con il Modello Standard, c’è ancora molto spazio per nuovi fenomeni al di là di quanto previsto da questa teoria”.

“Lo stesso Bosone di Higgs può indicare nuovi fenomeni, tra cui alcuni che potrebbero essere responsabili della materia oscura nell’universo”, afferma il portavoce del Compact Muon Solenoid, Luca Malgeri.

“ATLAS e CMS stanno effettuando molte ricerche per sondare tutte le forme di processi inaspettati che coinvolgono il Bosone di Higgs”.

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Dal Future Circular Collider le possibili risposte mancanti

Che cosa c’è ancora da imparare sul “Campo di Higgs” e sul Bosone omonimo a dieci anni di distanza? Molto.

Il “Campo di Higgs” conferisce massa anche ai fermioni più leggeri o potrebbe essere in gioco un altro meccanismo?

Il Bosone di Higgs è una particella elementare o composita? Può interagire con la materia oscura e rivelare la natura di questa misteriosa forma di materia? Cosa genera la massa e l’autointerazione del Bosone di Higgs? Ha gemelli o parenti?

Trovare le risposte a queste e ad altre domande intriganti non soltanto farà progredire la nostra comprensione dell’universo alle scale più piccole, ma potrebbe anche aiutare a svelare alcuni dei più grandi misteri dell’universo nel suo complesso, come ad esempio come è nato e quale potrebbe essere il suo destino finale.

L’auto-interazione del Bosone di Higgs, in particolare, potrebbe contenere le chiavi per una migliore comprensione dello squilibrio tra materia e antimateria e della stabilità del vuoto nell’universo.

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La necessità inevitabile di una futura “fabbrica di Higgs”

Mentre le risposte ad alcune di queste domande potrebbero essere fornite dai dati dell’imminente terzo ciclo del Large Hadron Collider o dall’aggiornamento principale del collisore, l’LHC ad alta luminosità a partire dal 2029, si ritiene che le risposte ad altri enigmi siano al di fuori della portata di questo esperimento e richiedano una futura “fabbrica di Higgs”

Per questo motivo, il CERN e i suoi partner internazionali stanno studiando la fattibilità tecnica e finanziaria di una macchina molto più grande e potente, il Future Circular Collider, in risposta a una raccomandazione formulata nell’ultimo aggiornamento della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle.

“I collisori ad alta energia rimangono il microscopio più potente a nostra disposizione per esplorare la natura alle più piccole scale e per scoprire le leggi fondamentali che governano l’universo”, afferma Gian Giudice, capo del Dipartimento di Teoria del CERN.

“Inoltre, queste macchine portano anche enormi benefici alla società”.

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Dal World Wide Web alla terapia adronica dei tumori

Storicamente, l’acceleratore, il rivelatore e le tecnologie di calcolo associate ai collisori ad alta energia hanno avuto un grande impatto positivo sulla società, con invenzioni come il World Wide Web, gli sviluppi del rivelatore che hanno portato allo scanner PET (Tomografia a Emissione di Positroni) e la progettazione di acceleratori per la terapia adronica nel trattamento dei tumori.

Inoltre, la progettazione, la costruzione e il funzionamento dei collisori e degli esperimenti di fisica delle particelle hanno portato alla formazione di nuove generazioni di scienziati e di professionisti in altri settori e a un modello unico di collaborazione internazionale.

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