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Il bosone di Higgs

by Adriana Carelli

IL 4 luglio 2012 il ha annunciato la scoperta del .

Il di Higgs è una particella elementare che il fisico teorico Peter Higgs ha ipotizzato quasi 50 anni fa per spiegare l’origine della massa delle particelle. Inoltre il bosone di Higgs garantisce la consistenza della teoria del , che senza di esso porterebbe a un calcolo di probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.

Peter Higgs

Peter Higgs premio Nobel 2013

Storia del bosone di Higgs

Il bosone di Higgs fu teorizzato nel 1964 e rilevato per la prima volta nel 2012 negli esperimenti ATLAS e CMS, condotti con l’acceleratore LHC del CERN. Nel 2013 Peter Higgs e François Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la fisica per la sua scoperta. Molti modelli supersimmetrici predicevano inoltre che il valore più basso possibile della massa del bosone di Higgs fosse intorno a 120 GeV o meno, mentre la teoria dà un limite massimo di circa 200 GeV (≈3,5×10−25 kg).

Il 5 aprile 2012, nell’anello che corre con i suoi 27 km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l’energia massima mai toccata di 8 000 miliardi di elettronvolt (8 TeV). Il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell’auditorium del CERN, presente Peter Higgs, i portavoce dei due esperimenti, Fabiola Gianotti per l’esperimento ATLAS e Joseph Incandela per l’esperimento CMS, davano l’annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, la cui massa risulta intorno ai 126,5 GeV per ATLAS e ai 125,3 GeV per CMS.

Perché questa scoperta è importante?

Senza questa particella, il modello matematico che gli scienziati si sono fatti per spiegare tutti i fenomeni, non funziona. Il modello spiega tutti i fenomeni fisici ma è necessario che le particelle siano prive di massa, contrariamente a quello che dice l’esperienza, a meno che non esista il bosone di Higgs, che è stato introdotto per spiegare la massa delle particelle.

Erano quasi 50 anni che generazioni di fisici lo stavano cercando. Il bosone di Higgs è una particella che spiega la massa delle altre particelle.

Quindi la massa non è una proprietà delle particelle come può essere la carica elettrica?

No, non lo è.

La massa non è una proprietà delle particelle

Per capire è necessario ricordare il concetto di energia. Se sollevo un oggetto dal suolo e poi lo lascio cadere, questo va verso il basso perché mi trovo in un campo gravitazionale.  Si dice quindi che il sasso possiede energia cinetica, che è una forma di energia legata la movimento.

L’energia cinetica che l’oggetto acquisisce cadendo gli arriva dalla trasformazione di un’altra forma di energia, quella potenziale gravitazionale, legata all’altezza dell’oggetto. Più è in alto più alta è l’energia potenziale. L’energia cinetica la acquisiscono i corpi in moto.

L’energia totale dell’universo è costante. Cedendo energia potenziale l’oggetto acquista energia cinetica, ma la somma di queste resta costante e lo stesso accade per altre forme di energia.

La Terra produce un campo di forze gravitazionale. Effetti simili li abbiamo anche con la carica elettrica e la carica magnetica. Anche in questo caso abbiamo un campo di forze che agisce sulle altre cariche, facendo loro guadagnare energia.

Le correnti elettriche generano campi magnetici perché modificano l’energia delle particelle sensibili a questo tipo di campi. L’energia posseduta da una particella ferma è la somma di tutte le energie derivanti dall’interazione con tutti i campi di forze presenti in una certa regione.

La quantità totale di energia di un corpo è data dalla somma di tutte le energie potenziali, però c’è un problema. Secondo la teoria della relatività di Einstein ogni oggetto possiede anche una quantità di energia a riposo, quindi quando è fermo e non interagisce con nessun campo. Questa energia è dato dal prodotto della massa per il quadrato della velocità della luce.

E=mc^{2}

Se voglio conoscere l’energia totale di un corpo devo sommare l’energia potenziale totale con l’energia a riposo.

Se facciamo questo poi non riusciremo a spiegare altri fenomeni che sono molto complicati. Come mai l’energia potenziale è data dall’interazione con campi di forze mentre l’energia a riposo no? La risposta l’ha trovata Higgs.

Higgs ha pensato che anche la massa si comportasse allo stesso modo dell’energia.

Supponiamo che anche l’energia a riposo dipenda dall’interazione con un campo come l’energia potenziale gravitazionale oppure come l’energia elettromagnetica, questo campo è chiamato campo di Higgs, si tratta a tutti gli effetti di un’altra forza, quindi introduce un’ulteriore contributo all’energia di una particella. Questo contributo è fisso e non dipende da dove si trova la particella, ma dipende solo dalla sua natura. Il campo di Higgs ha la stessa intensità in tutti i punti dell’universo.

Come il campo di Higgs fornisce massa alle particelle

Il secondo principio della dinamica dice:

F=ma

da questo si deduce che la forza è data dal rapporto tra la massa e l’accelerazione. A parità di accelerazione, la forza per accelerare un corpo è tanto maggiore tanto è più grande la sua massa. La massa è quindi la resistenza di un corpo ad essere accelerato.

Come il bosone di Higgs dà massa alle altre particelle?

L’interazione della particella di Higgs con il campo di Higgs è molto più intensa ad esempio, rispetto all’interazione dell’elettrone con il campo di Higgs.

Il campo di Higgs interagendo con se stesso acquista massa, le particelle si muovono con una certa viscosità in questo campo, in qualche modo il campo trattiene le particelle e questo fa acquisire una massa al campo che si manifesta come se fosse una particella.

Quindi l’universo è permeato dal campo di Higgs, uguale a se stesso in ogni punto. Le particelle che vi si trovano si muovono con più o meno difficoltà a seconda della loro capacità di essere accelerate, determinandone la massa. Siccome il campo di Higgs interagisce con se stesso, anche esso è trattenuto dal campo stesso e acquista una massa diventando una particella.

Perché ci sono voluti 50 anni per vederlo?

Nessuno sapeva quanto pesasse e poi perchè solo adesso possediamo le tecnologie necessarie per costruire le macchine che ci consentono di raggiungere l’energia necessaria per produrre una particella così pesante. Il bosone di Higgs si nasconde molto bene. Per trovare un solo bosone di Higgs bisogna cercare in un pagliaio di decine di miliardi di eventi tutti molto simili tra loro.

 

Immagine di copertina:

  • Di CERN for the ATLAS and CMS Collaborations – https://cds.cern.ch/record/1630222, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29737816

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