Higgs, Higgs….. Urrà!

Lo scorso 14 marzo è stato definitivamente confermato che la particella scoperta dall’LHC è il bosone di Higgs. O almeno, UN bosone di Higgs. Vediamo di capire cos’è e perché è così importante. Ovviamente, bisogna però partire dal Modello Standard…

Come molti di voi possono immaginare, il sogno di tutti i fisici è di formulare una teoria che unifichi il più possibile in un unico colpo d’occhio quanto sappiamo sull’universo: una teoria del tutto, insomma. Questa teoria deve ovviamente essere coerente sia con la meccanica quantistica sia con la relatività.

La teoria del “quasi tutto”

Il Modello Standard è in questo momento la teoria che si avvicina di più alla meta, poiché è una teoria quantistica dei campi che descrive tre delle quattro forze fondamentali: l’interazione forte, l’elettromagnetica e la debole, raggruppando ulteriormente le ultime due forze nell’interazione elettrodebole. Purtroppo, non si è ancora riuscita a includere anche la gravità in modo convincente, anche se sono state formulate molte teorie in tal senso.

La tabella mostra le particelle incluse nel Modello Standard. Distinguiamo nelle prime tre colonne le generazioni della materia (fermioni), nella quarta i mediatori di forza (bosoni). Accanto, il bosone di Higgs.

Il Modello Standard (d’ora in poi lo abbrevio in MS) funziona molto bene, e consente di fare previsioni in ottimo accordo con quanto è osservato. Esso suddivide quanto esiste nell’universo in due tipi di particelle: le particelle che costituiscono la materia ovvero i quark e i leptoni (tra cui l’elettrone e i neutrini, tanto per capirci), chiamate in gruppo fermioni; e quelle mediatrici di forza e cioè fotoni (forza elettromagnetica), gluoni (forza forte) e particelle W+, W e Z0 (forza debole), chiamate in gruppo bosoni.

Purtroppo, pur funzionando benissimo per molti versi, il MS aveva una grossa falla: non riusciva a spiegare la massa dei bosoni W+, W e Z0. In effetti, gli altri mediatori di forza, il fotone e il gluone, non hanno massa, mentre i bosoni W+, W e Z0 l’hanno eccome! Inoltre, c’erano indicazioni che lasciavano supporre un’unificazione delle tre forze ad altissime energie, e che quindi esistesse una simmetria che in qualche modo si rompeva alle basse energie.

Oltretutto, c’era da spiegare un’altra differenza: come mai la forza elettromagnetica si estende all’infinito nell’universo, estinguendosi gradatamente col quadrato della distanza(come la gravità), mentre la forza forte e la forza debole esauriscono la loro azione all’interno del nucleo di un atomo? Se sono effetti di una stessa causa, avrebbero dovuto comportarsi allo stesso modo….

Scherzi di natura

Per capire come si è risolto quest’ultimo problema, ricorriamo a un esempio: supponiamo di osservare una lampada accesa. La sua luce si spande ovunque, e come ben sappiamo, lo fa all’infinito, diminuendo la sua intensità col quadrato della distanza.

Schema di diffusione della radiazione elettromagnetica. Come potete vedere, i raggi partono uniformemente dalla lampada e di si diffondono liberamente nello spazio, diminuendo la loro intensità col quadrato della distanza.

Ora, se volessimo impedire alla luce di allontanarsi dalla lampada, come potremmo fare?

Agli scienziati sono venute in mente due soluzioni: prima di tutto, si può celare la lampada dietro uno scudo, ovverosia confinare la luce. In questo caso, la luce sarebbe molto luminosa presso la lampada, ma oltre lo scudo non si vedrebbe nulla: è questo il meccanismo con cui si propaga la forza forte. I bosoni che la trasportano (gluoni) sono ancora privi di massa, ma interagiscono così fortemente tra loro che non possono fuoriuscire all’esterno. All’interno di un nucleo la forza forte è effettivamente forte, ma al di fuori è appena percettibile.

La seconda soluzione prevede che la lampada sia immersa in un’aria molto caliginosa, o in una densissima nebbia. La luce è quindi assorbitadall’ambiente circostante, e non si può propagare molto lontano. E’ questo il meccanismo con cui si propaga la forza debole.

Schema di diffusione della forza forte (a sinistra, “confinamento”) e della forza debole (a destra, “assorbimento”).

Da cosa è costituita la “caligine” che soffoca la forza debole? L’hanno spiegato Higgs e soci….

Il meccanismo di  Higgs

Negli anni ’60 del secolo scorso, un gruppo di scienziati (Anderson, Englert, Brout, Higgs, Hagen, Guralnik  e Kibble) proposero una soluzione per questa enigmatica caligine.

Ciò che rende la forza nucleare debole a corto  raggio è la presenza di un $campo$ in tutto l’universo che assorbe la forza debole, oggi noto come $campo$ di Higgs.

Il $campo$ di Higgs è in realtà costituito da due campi complessi sovrapposti, uno noto come doppietto di isospin debole (gruppo di simmetria SU(2)L) e uno conosciuto come singoletto di ipercarica debole (gruppo U(1)Y) con valore di ipercarica pari a +1.

Lasciamo stare cosa significa esattamente tutto questo, perché si entra nella fisica “esoterica” (per pochi intimi), e vediamo gli effetti pratici di tutto ciò.

Il $campo$ ha, alle temperature ed energie normalmente presenti nel nostro universo, un potenziale con una forma molto particolare, a “sombrero”.

Rappresentazione del potenziale del $campo$ di Higgs. Come potete vedere, ad un $campo$ di valore nullo corrisponde un valore di energia potenziale diverso da zero.
Conseguentemente, di fatto lo spazio vuoto non è veramente vuoto, ma possiede una sua energia…

 

Cosa significa quella “gobba” al centro? Che nel suo stato fondamentale ($campo$ di valore nullo) l’energia potenziale non è nulla! Una sorprendente analogia con l’energia del vuoto. Questa strana forma comporta la rottura della simmetria che permetterebbe ai bosoni W+, W e Z0 di non avere massa, come i fotoni e i gluoni. Infatti, in un equilibrio simmetrico una particella ha un’energia potenziale minima quando il valore del $campo$ è nullo. Per quanto esposto prima, però, è evidente che nel caso del $campo$ di Higgs questo non sarà mai possibile, e ciò comporta una rottura spontanea di simmetria.

I fotoni e i gluoni non risentono del $campo$ di Higgs, ma i bosoni W+, W e Z0 sì, e come conseguenza acquistano massa. E con loro, tutta la materia esistente.

Abbiamo prima detto che alle altissime energie la simmetria si deve ripristinare, e per rispettare ciò il $campo$ di Higgs dovrebbe cambiare al variare delle energie in gioco. E, in effetti, lo fa.

A quei livelli energetici il $campo$ è perfettamente simmetrico, e man mano che l’energia cala, perde la sua simmetria.

Il diagramma mostra il comportamento del $campo$ di Higgs al variare della densità di energia presente nello spazio. Ad una densità molto elevata, il $campo$ è simmetrico, ma col diminuire dell’energia la simmetria si spezza spontaneamente.

Ciò rende possibile il mantenimento della simmetria ad altissime energie, mentre essa si spezza spontaneamente a energie più basse.

E il bosone di Higgs, allora, cos’è? Semplicemente il quanto di energia del $campo$ di Higgs, come il fotone per il $campo$ elettromagnetico. Il fotone è mediatore di forza nel $campo$ elettromagnetico, il bosone di Higgs è mediatore di forza per il $campo$ di Higgs. Un postino, insomma…..

Sei uno, sei due, sei tre….. Ma quanti siete?

Il 14 marzo scorso i fisici del CERN hanno confermato che quello scoperto è il bosone di Higgs.

Mentre si comincia a vedere che il bosone decade anche sotto forma di particelle Tau, rivelando un accoppiamento con i leptoni, qualcosa non torna con il decadimento in fotoni, che sembra essere più alto del previsto. Questo, che potrebbe indicare?

Beh, il $campo$ di Higgs come ve l’ho descritto è solo UNA delle soluzioni possibili (la più semplice) per questo genere di $campo$. Ne esistono altre più complesse, che comportano l’esistenza di diversi bosoni di Higgs e una teoria che va oltre al MS, con proprietà in pratica indistinguibili da esso. Per distinguere i vari modelli, dovremmo conoscere con precisione le costanti di accoppiamento del bosone scoperto e confrontarle con quelle calcolabili dai vari modelli proposti. Purtroppo, allo stato attuale l’LHC non consente una precisone sufficiente per fare confronti.

E quindi, siamo veramente sicuri che quello scoperto sia IL bosone di Higgs e non UN bosone di Higgs? Ancora no….

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25 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    Per distinguere i vari modelli, dovremmo conoscere con precisione le costanti di accoppiamento del bosone scoperto e confrontarle con quelle calcolabili dai vari modelli proposti. Purtroppo, allo stato attuale l’LHC non consente una precisone sufficiente per fare confronti.
    Nel senso che bisogna aspettare che l'LHC raggiunga i 14tev o proprio bisogna costruire un altro acceleratore?

  2. Mi associo alla domanda di teto e se sì, lo faremo in questo periodo di crisi? Se non lo facciamo a mio parere non sappiamo cosa perdiamo.
    Penso che comunque si sia aperto un mondo , non chiudiamolo.

  3. Ottima spiegazione RED, argomento che mi affascina molto.

    Con l'occasione volevo porre alcuni quesiti. Qualora comunque andassi fuori strada fammelo subito notare.

    - I Gluoni sono mai stati veramente rivelati?

    -Il Prof. Baroncelli, che lo scorso anno ha effettuato due convegni su questo argomento a Tarquinia diceva, se non ricordo male, che la velocità di mediazione dei Bosoni non è uguale per tutti e che, come la relatività speciale ci insegna, il più veloce è il fotone. Ora mi chiedo: ma se il gluone non ha massa, non dovrebbe mediare alla stessa velocita del fotone?

    -Ultima riflessione e poi non ti tedio più: Come spiegare la mediazione tra particelle in entanglement?

    Grazie

  4. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    Mentre si comincia a vedere che il bosone decade anche sotto forma di particelle Tau, rivelando un accoppiamento con i leptoni, qualcosa non torna con il decadimento in fotoni, che sembra essere più alto del previsto. Questo, che potrebbe indicare?
    Ho letto in giro che l'ipotesi più probabile è che sia solo una fluttuazione statistica positiva dei dati, in poche parole è molto probabile che sia il bosone di Higgs del MS.

  5. Citazione Originariamente Scritto da teto Visualizza Messaggio
    Nel senso che bisogna aspettare che l'LHC raggiunga i 14tev o proprio bisogna costruire un altro acceleratore?
    La discussione è ancora aperta, ma alcuni ritengono che sia necessaria un'altro acceleratore. Non so in che tempi e con che soldi, visto il momento...

  6. Citazione Originariamente Scritto da SANDRO Visualizza Messaggio
    Ottima spiegazione RED, argomento che mi affascina molto.

    Con l'occasione volevo porre alcuni quesiti. Qualora comunque andassi fuori strada fammelo subito notare.

    - I Gluoni sono mai stati veramente rivelati?
    Sì, 25 anni fa per via indiretta, mediante le collisioni positrone - elettrone. Alcuni degli scontri decadono in tre particelle complanari che possono formarsi solo ammettendo la presenza dei gluoni. Leggi QUI e QUI.

    Citazione Originariamente Scritto da SANDRO Visualizza Messaggio
    -Il Prof. Baroncelli, che lo scorso anno ha effettuato due convegni su questo argomento a Tarquinia diceva, se non ricordo male, che la velocità di mediazione dei Bosoni non è uguale per tutti e che, come la relatività speciale ci insegna, il più veloce è il fotone. Ora mi chiedo: ma se il gluone non ha massa, non dovrebbe mediare alla stessa velocita del fotone?
    In teoria, visto che è senza massa, dovrebbe propagarsi anche lui alla velocità della luce. Però, visto che esistono solo all'interno delle particelle subatomiche, temo che sarà dura misurane la velocità effettiva...

    Citazione Originariamente Scritto da SANDRO Visualizza Messaggio
    -Ultima riflessione e poi non ti tedio più: Come spiegare la mediazione tra particelle in entanglement?

    Grazie
    Qui mi lancio in una mia personalissima interpretazione, che ti prego di prendere per quello che è, cioè uno sproloquio.

    Secondo me non esiste mediazione. In effetti, l'entanglement nasce dalla meccanica quantistica, per la precisione è una derivazione del principio di indeterminazione di Heisenberg. Il PIH ci obbliga a trattare tutta la meccanica quantistica utilizzando la statistica e le probabilità.
    Facciamo un'esempio. Quando andiamo a correlare lo spin di due fermioni identici, il principio di Pauli ci dice che possono assumere solo un paio di stati, e pur non potendo osservare direttamente le particelle e i loro stati sappiamo che l'insieme di essi rappresenta il 100% delle probabilità. Quando poi andiamo a verificare lo spin di una di queste particelle, le probabilità che l'altra abbia uno spin uguale si riducono a 0, mentre viceversa le probabilità che stia nello spin opposto arrivano al 100%. In sostanza, la nostra osservazione ha fatto collassare la funzione d'onda sia dell'una che dell'altra particella. Ma non c'è comunicazione, bensì la presa di coscienza da parte nostra di uno stato di fatto inevitabile. Il tutto alla velocità del pensiero....

  7. Citazione Originariamente Scritto da teto Visualizza Messaggio
    Ho letto in giro che l'ipotesi più probabile è che sia solo una fluttuazione statistica positiva dei dati, in poche parole è molto probabile che sia il bosone di Higgs del MS.
    E' notizia di oggi che le discrepanze dei dati dal teorico sembra si stiano riducendo. Ma siamo ancora nel campo del "forse" e non del sicuro.....

  8. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    Qui mi lancio in una mia personalissima interpretazione, che ti prego di prendere per quello che è, cioè uno sproloquio.

    Secondo me non esiste mediazione. In effetti, l'entanglement nasce dalla meccanica quantistica, per la precisione è una derivazione del principio di indeterminazione di Heisenberg. Il PIH ci obbliga a trattare tutta la meccanica quantistica utilizzando la statistica e le probabilità.
    Facciamo un'esempio. Quando andiamo a correlare lo spin di due fermioni identici, il principio di Pauli ci dice che possono assumere solo un paio di stati, e pur non potendo osservare direttamente le particelle e i loro stati sappiamo che l'insieme di essi rappresenta il 100% delle probabilità. Quando poi andiamo a verificare lo spin di una di queste particelle, le probabilità che l'altra abbia uno spin uguale si riducono a 0, mentre viceversa le probabilità che stia nello spin opposto arrivano al 100%. In sostanza, la nostra osservazione ha fatto collassare la funzione d'onda sia dell'una che dell'altra particella. Ma non c'è comunicazione, bensì la presa di coscienza da parte nostra di uno stato di fatto inevitabile. Il tutto alla velocità del pensiero....
    Grazie Red. Ma rimango in forte dubbio sula tua "personalissima" interpretazione dell'Entanglement.

  9. Citazione Originariamente Scritto da SANDRO Visualizza Messaggio
    Grazie RED, anche se non sono convinto dalla tua "personalissima interpretazione" dell'Entaglement.
    Ci mancherebbe. Sono decenni che il paradosso EPR tenta di essere risolto in modo convincente per tutti.
    Però, proprio stamani ci stavo riflettendo sopra ancora una volta.
    Prendiamo per esempio il superenalotto, e supponiamo che le probabilità di vincita siano 1 su 60 milioni, e che tutti i 60 milioni di italiani abbiano giocato una combinazione diversa rispetto agli altri. Fintantoché non c'è l'estrazione, tutti sono vincitori per un sessantamilionesimo. Ma all'atto dell'estrazione, ci sarà un'unico vincitore al 100% e gli altri a 0%. Nel medesimo istante, ci sarà 1 vincitore e 59.999.999 perdenti.
    Se io sono il vincitore, ho bisogno di andare a verificare il mio stato e quello degli altri giocatori, una volta che so la combinazione vincente? NO.
    E chi me lo ha comunicato? NESSUNO.
    E a che velocità ho ricevuto la comunicazione da parte di tutti gli altri? No, non ho bisogno di altre comunicazioni. Mi basta la prima e fondamentale.
    Come per tutti i paradossi, c'è una falla nelle premesse, cioè la premessa (implicita) che sia necessaria una comunicazione per sapere lo stato degli altri....

  10. Questo argomento mi affascina moltissimo. Bellissimo articolo, chiarissimo, nonostante la complessità dell'argomento. Complimenti.

    Ho capito qualcosa anch'io!