Tra poco più di una settimana, in un seminario pubblico al CERN, Fabiola Gianotti dell’esperimento ATLAS e Guido Tonelli di CMS ci aggiorneranno sulle novità nella ricerca del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC). Come al solito, come ormai avrete capito se avete seguito la vicenda dei neutrini superluminali, prima delle dichiarazioni ufficiali cominciano a filtrare notizie, indiscrezioni e commenti che una piccola porzione di verità la contengono sempre. Quando non c’era il web il gossip rimaneva confinato nei corridoi dei laboratori di ricerca o delle Università, magari finiva su qualche giornale che non leggeva nessuno, ora un blog o un social network offrono occasioni troppo ghiotte per non essere sfruttate.
Quello che si dice in giro è che ci sono segnali di un Higgs con una massa attorno ai 125 GeV (vi ricordo che in fisica delle particelle l’elettronvolt, unità di misura dell’energia, è usato per misurare la massa delle particelle elementari e che 1 GeV corrisponde ad 1 miliardo di elettronvolt ovvero circa 0.16 miliardesimi di Joule). Se questa voce venisse confermata – e non è detto – parecchia gente, soprattutto i Teorici, verrebbe presa in contropiede perché fino a qualche giorno fa pochi avrebbero puntato qualche spicciolo su un valore di massa del genere, perché se l’Higgs c’è e la massa è quella, bisognerà rimboccarsi le maniche e cominciare a riscrivere un po’ di Fisica o quantomeno tirar fuori dai cassetti molte teorie e speculazioni fino ad oggi considerate “esotiche”.
Già a Luglio di quest’anno si era vociferato di qualcosa che faceva capolino a 140 GeV ma una seconda serie di misure non aveva poi confermato le attese. Dunque pazienza e cerchiamo di capire qual è lo stato dell’arte.
- Dove potrebbe trovarsi l’Higgs? La situazione a Marzo 2011
Quello che intendo fare è accompagnarvi fino al giorno del seminario con il racconto di cosa si nasconde dietro lo strano mondo immaginato e misurato dai fisici, per quale ragione nasca l’esigenza di catturare l’Higgs dal groviglio di particelle ed interazioni di cui tale mondo è costituito. Sulle misure e sulla loro interpretazione è per me difficile aggiungere qualcosa di più e di meglio rispetto a quello che sta scrivendo Marco Delmastro, che su queste cose ci lavora e le sa raccontare. Dunque, andate a fargli visita, soprattutto qua dove vi spiega le curve esclusione per il bosone di Higgs ottenute combinando i dati di ATLAS e CMS. Aspettate però, fatelo ma non prima di aver letto quello che ho da dirvi.
La questione delle questioni, quella che dobbiamo assolutamente affrontare per riuscire a capire da dove spunta fuori l’Higgs, è la natura del vuoto che, in fisica quantistica, non è privo di struttura ma è pieno di campi che fluttuano, è elettricamente neutro e stabile ma ricco di entità virtuali, ad esempio coppie di particelle di carica opposta che zampillano e vengono riassorbite con continuità, con il principio di indeterminazione di Heisenberg a dirigere il traffico. Nello stato di energia minima, nel vuoto, sono dunque sempre presenti fluttuazioni di contenuto energetico diverso da zero, come in una pentola d’acqua poco prima dell’ebollizione. L’eccitazione più elementare del vuoto – una volta che l’acqua si mette a bollire, insomma – è quella che mette in scena il quanto del campo e così come il fotone è il quanto del campo elettromagnetico, elettroni e positroni sono i quanti del campo di Dirac. Solo dopo aver capito come è fatto il vuoto si può cominciare a costruire una teoria che descriva le proprietà dinamiche fondamentali di un sistema. Così è stato per l’Elettrodinamica Quantistica, così per il Modello Standard.
Come fare? In tanti modi per la verità ma c’è uno strumento di conoscenza molto potente: la simmetria. Un “oggetto” (una bottiglia, una molecola, una particella elementare, un pianeta o l’intero universo) possiede una certa simmetria quando le sue proprietà, dopo una trasformazione che abbiamo operato su di esso, sono indistinguibili da quelle che aveva prima. Se ruotate un bicchiere da whisky attorno al proprio asse, che sia riempito o meno con un liquido non ha importanza, il suo aspetto sarà sempre lo stesso, il bicchiere cioè non varia ai nostri occhi rispetto a tale trasformazione. Nel caso di un boccale di birra, provvisto di manico, non sarà più così e saremo in grado di percepire l’effetto della trasformazione. Questi concetti assumono grande rilevanza in fisica perché l’invarianza sotto una certa trasformazione presuppone che determinate quantità non siano osservabili e ciò comporta una legge di conservazione (o una regola di selezione). Per esempio, l’assunzione che una direzione assoluta nello spazio non sia osservabile (l’isotropia dello spazio) implica un invarianza per trasformazioni che ruotano il sistema e ciò porta alla conservazione del momento angolare.
La faccenda assume un carattere ancor più intrigante (almeno spero) quando proviamo a trasferire questi concetti al mondo delle particelle elementari. Esistono famiglie di particelle, come ad esempio il protone ed il neutrone nel nucleo, che si mescolano indissolubilmente lasciando la loro interazione invariata e possiamo provare a decifrare questo mondo cercando di individuare famiglie e sottofamiglie sulla base delle caratteristiche delle loro interazioni, interazioni costruite proprio a partire dalla simmetria (intercambiabilità) fra particelle. La simmetria serve quindi a costruire qualcosa che sia molto più di una mera classificazione, impone per esempio ad un oggetto fisico provvisto di carica elettrica come il campo di Dirac degli elettroni di interagire con un altro campo: il campo elettromagnetico. La trasformazione in gioco in questo processo è detta di gauge (di calibro) ed assume ora lo status di Principio, diventa una guida alla costruzione di una delle teorie fondamentali del mondo delle particelle: l’elettrodinamica quantistica. Non è semplice visualizzarla questa trasformazione, potete provare ad immaginare tanti bicchieri da whisky, più o meno pieni, sistemati uno accanto all’altro su un tavolo e che ruotano tutti assieme, ma ognuno di un angolo diverso. Qualunque sia la rotazione, l’immagine che infine vedremo sarà indistinguibile da quella di partenza.
Fin qui è tutto abbastanza tranquillo (chiaro non so) ma se si prova ad estendere e generalizzare la simmetria di gauge dell’elettrodinamica alle altre interazioni fondamentali nasce un problema perché tale simmetria è compatibile solo con la presenza di un campo di massa nulla, il fotone appunto. Se proviamo ad applicare il Principio di gauge alle interazioni deboli, l’analogo debole dei fotoni (i bosoni vettoriali intermedi) dovrebbero essere a loro volta privi di massa. Poiché sappiamo che non è così, son stati trovati – Rubbia ci ha preso un Nobel – e pesano parecchio, la via attraverso la quale un campo di gauge può acquistare una massa diventa uno dei problemi fondamentali da risolvere. E’ qui che entra in gioco il vuoto ed è questo il motivo per il quale la prossima volta vi parlerò di un asino.
Su Focus.it, guarda anche il multimedia sul bosone di Higgs.
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