Fisica delle particelle - ultimissime: marzo 2013

SPECIALE BOSONE DI HIGGS: LE CONSEGUENZE:

Indubbiamente i dati raccolti in questi anni da CMS e ATLAS mettono in luce un grande e sensazionale risultato: una nuova particella è stata scoperta. Che poi sia il bosone di Higgs o un bosone "X" questo è ancora tutto da vedere. Di certo c'è che la particella si trova in una zona di massa identica a quella che era stata stimata in base alla massa degli altri bosoni e che ne ha proprio tutte le caratteristiche.

Proprio ieri 14 marzo è stato emesso un comunicato congiunto con il quale CMS e ATLAS, le due collaborazioni di LHC al CERN, fanno sapere che dopo aver analizzato due volte e mazza più dati di quanti ne sono stati analizzati prima di emettere il comunicato della scoperta del bosone nel mese di luglio, ora si ha la sicurezza, si tratta proprio "di un bosone di Higgs", la particella che con un particolare meccanismo di interazione è in grado di dare massa alle particelle elementari.

Rimane però ancora aperta una questione, e non una questione da poco: non è ancora chiaro se si tratta proprio del bosone di Higgs atteso, ovvero del bosone che dà massa alle particelle del Modello Standard, oppure se si tratta del più leggero tra numerosi bosoni di Higgs previsti da alcune differenti teorie cosiddette non standard, ma per rispondere a questa domanda ci vuole purtroppo ancora tempo. Di sicuro però c'è che da alcune indiscrezioni si è venuto a sapere che almeno fino ad ora, non c'è traccia di nuova fisica. Ovvero la tanto attesa verifica della supersimmetria della materia, almeno per il momento, è rimandata a nuova data.

Immagine 1: eccesso di fotoni nel canale gamma in
corrispondenza della massa di 126 GeV

Uno dei modi per “vedere” una nuova particella è esaminare i suoi prodotti di decadimento. Una qualunque particella prodotta in un acceleratore non vive un tempo infinito e nel caso del bosone di Higgs, la vita è veramente troppo breve per poterlo osservare attraverso una traccia in un rivelatore, quindi la sua instabilità la porta a decadere seguendo differenti strade, ciascuna compatibile con le sue proprietà. Ogni strada è chiamata canale, ed è proprio osservando l'energia del marasma di particelle prodotte nell'urto tra i protoni ad alta energia, ben 7 TeV, che si sono osservati dei chiari segnali preferenziali di decadimento, corrispondenti a particolari valori di massa. Un po' come dire, il vaso di porcellana si è rotto, ma sommando la massa dei suoi cocci posso risalire alla massa del vaso intero.

L'immagine 1 descrive il numero di eventi gamma prodotti durante l'urto, dallo spettro continuo osservato, dove il numero di eventi decresce con il crescere dell'energia dei fotoni, emerge un tenue ma chiaro eccesso di segnale in corrispondenza di una massa di 126 GeV, il segno che una particella con quella massa decade in coppie di fotoni. Non solo, esaminando il suo decadimento a quattro leptoni nell'immagine 2:

H → ZZ → 4L

Immagine 2: in azzurro il canale a 4L

vale a dire, esaminando il suo doppio decadimento, prima in una coppia di bosoni Z, ciascuno dei quali a sua volta decade in due leptoni: 2 elettroni o 2 muoni o 2 tau, si è osservato un segnale di decadimento corrispondente ad una uguale massa. Quello in 4 leptoni sembra però essere un canale di decadimento non particolarmente preferito dal bosone, ma ha il privilegio di avere un basso rumore di fondo, quindi permette una chiara risoluzione in termini di massa. Bene in questo canale si è osservato un segnale corrispondente a una massa di circa 125 Gev, non particolarmente forte ma che avvalora quanto osservato per il canale gamma. In questo stesso canale si sono osservati però altri due segnali, rispettivamente corrispondenti ad una massa ipotetica di Higgs di 150 Gev e di 190 Gev, segnali che potrebbero far pensare che questa nuova particella non sia sola ma che possa esistere una nuova famiglia di particelle assolutamente non prevista dalla teoria. Quindi il solitario bosone di Higgs del Modello Standard potrebbe non essere proprio quello atteso e soprattutto potrebbe essere solo un bosone "X" fra tanti.

In futuro, la ricerca a LHC dovrà perciò puntare allo studio delle proprietà di questa nuova particella proprio attraverso lo studio di tutti i canali di decadimento osservati e osservabili, e per questo ci vuole sicuramente ancora tempo. Se la massa da 126 GeV venisse ulteriormente confermata come quella dell'Higgs del Modello Standard, rimarrebbero però ancora aperte delle questioni non banali.

Immaginiamo l'universo con il bosone di Higgs appena scoperto. Proprio lui, il bosone, è il responsabile delle proprietà massive della materia, dell'inerzia dei corpi e soprattutto dell'evoluzione dell'universo. Ma visto che dà massa ai corpi, vuoi che non abbia nulla a che fare con la forza di gravità?

Quando si sviluppa un modello, soprattutto se funziona, per far si che funzioni meglio si apportano un gran numero di correzioni, a volte vere e proprie aggiunte, che quasi sempre si accordano con il modello base, ma a volte suonano un po da accorgimenti necessari a far stare in piedi qualcosa che altrimenti in piedi da solo non starebbe. Diciamo subito che questo non è il caso del Modello Standard, una teoria che funziona sin troppo bene ma, come abbiamo già detto nei precedenti articoli, il modello del mondo materiale ha la pecca di non prevedere la massa, un po' come dire che l'universo è immateriale ed è solo grazie al campo di Higgs che la massa, finalmente e per fortuna, compare. Ora il problema non è tanto se il bosone appena scoperto sia o meno quello del Modello Standard, ma che il bosone di Higgs esista veramente, e almeno questo sembra essere definitivamente provato. Se fino ad oggi abbiamo felicemente sperato che il campo di Higgs fosse realtà, sono ora le conseguenze della sua sola e misteriosa esistenza a creare un po' di ansia. Se provassimo a descrivere l'universo tramite le teorie di GUT (Grand Unification Theory) ibride, che si basano sostanzialmente sul Modello Standard ma prendono in considerazione una espansione inflativa dell'universo, cioè una espansione tale da causarne la separazione in parti disgiunte, abbiamo che ... in origine era il campo di Higgs (campo inflatore) e il suo bosone, l'inflatone. L'inflatone oscillava intorno al valore di equilibrio del potenziale a causa dell'altissima temperatura di un universo grande pochi centimetri, producendo nell'universo un'espansione a velocità crescente. Quando la velocità di espansione superò la velocità della luce, l'universo si inflazionò dividendosi in parti disgiunte tra loro; dopo pochi brevissimi istanti dal Big Bang, la rottura spontanea di simmetria del campo di Higgs portò l'energia del potenziale ad uno stato di energia minima del vuoto. Intanto però, prima che l'inflazione si verificasse, la radiazione elettromagnetica era riuscita ad attraversare tutto l'universo permettendo quindi ad ogni sua parte di avere identiche proprietà di densità e temperatura. In questa fase di rapida espansione e raffreddamento, il campo di Higgs si separò in quattro distinti campi, uno per ogni forza fondamentale, cosicché per la rottura di simmetria di ciascuno dei campi di forza, con l'eccezione dei mediatori dei campi elettromagnetico (fotone) e dell''interazione forte (gluone), acquistarono massa seguendo il meccanismo che abbiamo spiegato nel precedente articolo (2).

Purtroppo per quanto riguarda la forza di gravità per ora è stato un insuccesso, non si sa ancora nulla sull'esistenza o meno del gravitone e della sua eventuale massa, tanto meno se è o meno un campo quantizzato, mentre invece si conoscono perfettamente le masse dei bosoni W e Z associati all'interazione debole della materia.

Da allora, l'evoluzione dell'universo è proseguita fino ad oggi, data in cui sono ancora molte le incognite sulla sua natura e sulla natura della gravità. E se per esempio la gravità non fosse in nessun modo collegata alla massa della materia, quindi all'energia? Sicuramente questo porterebbe ad una necessaria e fondamentale revisione del nostro pensiero sull'origine e sulla natura dell'universo, una circostanza questa, che oltre ad incuriosire è sicuramente eccitante. Certo che sarebbe tutto da rifare, ma le potenzialità di LHC sono ancora tante, vedremo cosa ci riserverà il futuro.

Articoli pubblicati

(1) Speciale Bosone di Higgs: la Realtà

(2) Speciale Bosone di Higgs: la Teoria