La scoperta del bosone di Higgs

Dopo trent’anni di tentativi andati tutti a vuoto il 4 luglio 2012 i fisici del CERN di Gine­vra hanno annunciato che il bosone di Higgs, noto anche come la particella di Dio, era sta­to final­mente indivi­duato. L’inaffer­rabile particella era stata osservata all’inter­no del Large Hadron Collider (LHC) un gigante­sco macchinario dedicato alla fisica delle particelle suba­tomiche.

ATLAS E CMS

Il Large Hadron Collider (Grande Collisore di Adroni, ossia di protoni e ioni pesanti) so­stituì il Large Electron Positron (LEP) costruito dal CERN con una spesa di un miliardo di dol­lari all’inizio della seconda metà degli anni Ottanta dell’altro secolo. Si trattava di un ac­celeratore di particelle che comprendeva una galleria circolare di 27 kilometri ricavata nel sot­tosuolo della città di Ginevra ad una profondità media di 100 metri. Il nuovo collisore alimenta quattro rivelatori estremamente sofisticati ed efficienti dei quali però due soli, l’A­TLAS e il CMS, hanno il compito di individuare il bosone di Higgs, la parti­cella che comple­terebbe il cosiddetto Modello Standard della fisica delle particelle. I rivelatori che registra­no gli esiti delle collisioni sono sistemati all’interno di grandissime cavità scavate nella roc­cia. L’apparato sperimentale ATLAS, ad esempio, è di dimensioni enormi, misurando 46 metri di lunghezza e più di venti di altezza per un peso di circa settemila tonnellate.

Il Modello Standard comprende le particelle subatomiche realmente elementari. Esse sono dodici: sei quark (up, down, charm, strange, top e botton) e sei leptoni. Questi ultimi sono l’elettro­ne, il muone e il tauone più i tre corrispondenti neutrini (l’elettronico, il muo­nico e il tauonico). A queste, che sono particelle materiali, cioè fermioni, si devono aggiun­gere le particelle mediatrici delle forze, ossia i bosoni. Del gruppo dei bosoni mancava uno solo, per l’ap­punto il bo­sone di Higgs. In realtà il gravitone, ossia il bosone che do­vrebbe trasmettere la forza di gravità, non è stato ancora rivelato sperimentalmente e quindi per ora rappre­senta solamente una particella ipotetica.

Qualche anno più tardi dell’entrata in funzione dell’LHC, negli Stati Uniti, i fisici delle par­ticelle, incoraggiati dall’ammini­strazione Reagan, progettarono una macchina ancora più ambiziosa di quella europea, del costo di diversi mi­liardi di dollari, a cui fu dato il nome di Superconducting Super Collider (SSC). In essa, lo scontro fra protoni e antiproto­ni, avrebbe creato energia di 40.000 miliardi di elettronvolt (pari a 40 TeV). 1 TeV (tera-elet­tronvolt) corrisponde a 1012 eV. Il gigantesco macchinario americano era stato progetta­to con il fine dichiarato di scoprire il bo­sone di Higgs. Nel 1993 quando il costo previsto, già elevatissimo, rad­doppiò fino a rag­giungere i 10 miliardi di dollari, il Parlamento ameri­cano votò per chiude­re il progetto.

A questo punto l’LHC diventava il più potente strumento al mondo disponibile per cerca­re la sfug­gente particella ipotizzata dal fisico scozzese Peter Higgs (1929 -) dell’Università di Edim­burgo quasi cinquanta anni fa. In questo macchinario vengono fatti scontrare due fasci di protoni e di antiprotoni che corrono affiancati ma in verso opposto all’interno del­l’anello circolare di 27 km che faceva parte del precedente LEP. I protoni vengono accele­rati per mezzo di 1600 giganteschi magneti superconduttori che li vincolano a ruotare den­tro l’anello, fino a raggiungere velocità estremamente elevate, per poi farli scontrare. Quan­do le particelle si scontrano si annichilano ossia spariscono liberando tutta l’energia che ave­vano accumulato lungo la corsa all’interno del tunnel sotterraneo. Quanto maggio­re è la velocità, tanto più grande è l’energia che le particelle posseggono al momento del­l’urto. L’energia che si libera verrà utilizzata dalla natura per creare nuove particelle in ac­cordo con quanto previsto dalla famosa equazione di Einstein:  E=m･c2 che mostra che energia (E) e massa (m) sono interscambiabili, cioè da materia, in determinate condizioni, si può ricavare energia e da energia materia; c è la velocità della luce, una costante. L’LHC lavora da poco più di un anno ad energia che è poco più della metà della massima potenza per cui l’impianto è stato progettato. L’elettronvolt (eV) è l’unità di misura usata dai fisici delle particelle al posto del joule (J). Per definizione, 1 eV = 1,6･10-19 J. Molto usati sono i multi­pli dell’eV: 1 MeV (mega-elettronvolt) vale 106 eV; 1 GeV (giga-elettron­volt) vale 109 eV; 1 TeV (tera-elettronvolt) vale 1012 eV.

L’equazione di Einstein scritta sopra mostra che quanto maggiore è l’energia disponibile tanto mag­giore è la massa della particella che da essa si può ricavare. Il predecessore del­l’LHC, il LEP, era stato in grado, facendo scontrare all’interno del tunnel di 27 km elettroni e posito­ni energia di oltre 200 GeV e pareva che avesse rilevato la presenza di una parti­cella intorno al valore di 115 GeV/c2 una quantità non sufficiente per produrre il bosone di Higgs, il quale dovrebbe avere una massa di circa 125 GeV/c2. Le masse in uso fra i fisici nucleari non sono espresse in kilogrammi, ma in MeV/c2 o il GeV/c2. Se la massa di un cor­po viene espressa in kilogrammi, l’energia corrispondente risulta espressa in joule, ma in fisica delle particelle risulta più comodo esprimere le masse in termini di energia equiva­lente, perché in tal modo appare subito evidente qual è l’energia minima che si richiede per produrre una determinata particella all’interno dell’acceleratore. La massa del protone, ad esempio, che è di 1,67･10-27 kg, corrisponde, in termini di energia equivalente, a 0,938 GeV/c2. Il bo­sone di Higgs, che come ab­biamo visto, dovrebbe avere una massa che sta intorno a 125 GeV/c2 (corrispondente a 2,2･10-25 kg) dovrebbe quindi pesare circa 133 vol­te più del pro­tone.

LE TRACCE

Alla conferenza del 4 luglio Fabiola Gianotti e Joseph Incandela i portavoce dei due grup­pi di fisici che hanno individuato la traccia lasciata da una particella che mai prima di allora era stata osservata, hanno annunciato con una certa prudenza la scoperta della par­ticella chiamandola “bosone di tipo Higgs”. I portavoce dei due gruppi di ricerca (ATLAS e CMS) hanno in­sistito sul fatto che, se da un lato i due esperimenti hanno rilevato una nuova par­ticella mai os­servata in preceden­za, dall’altro non si hanno ancora elementi sufficienti per affer­mare che si tratti proprio del bosone di Higgs. Quest’ultimo è un corpuscolo piccolo, insta­bile ed elu­sivo tanto da non poter essere visto direttamente nemmeno con il più po­tente microscopio esistente: esso è indi­viduabile solo a partire dai prodotti del suo decadi­mento.

Le tracce che si osservano all’interno dei due rivelatori sono in numero straordinario e fra queste vi sono bosoni di vario tipo e anche molte coppie elettrone-positone generate dalle più disparate fonti. La ri­cerca viene fatta scartando gli eventi che sicuramente non possono avere come capostipite il bosone di Higgs. Le tracce da analizzare sono in ogni caso molti milioni ed anche scar­tando quelle più improbabili ne rimangono migliaia da ana­lizzare ogni minuto.

Le particelle che si materializzano con l’energia che si genera dallo scontro fra protoni e antiprotoni non solo sono tante, ma anche instabili e quindi destinate a decadere quasi istantaneamente in altre particelle di cui i rivelatori registrano le tracce. Il bosone di Higgs come abbiamo detto, è una particella molto instabile che appena si forma, si trasforma in altre particelle le quali, a loro volta, decadono generando ulteriori nuove particelle. A questo punto è facil­mente comprensibile quanto sia difficile, partendo da particelle di seconda o di terza gene­razione, risalire al progenitore di esse.

I segnali dei dati registrati nel 2012 erano gli stessi che erano stati osservati sei mesi prima con un valore di energia intorno a 125 GeV. Questa coincidenza convinse gli scien­ziati che vi erano buone probabilità che grazie agli esiti delle collisioni registrate dal rivela­tore CMS si potesse affermare di avere scoperto il bosone di Higgs. Analoghe rivelazioni si ebbero per l’esperimento ATLAS. Sembrava già tutto risolto e invece ci volle ancora più di una settimana di lunghe giornate di lavoro e notti insonni prima che questi fisici fossero certi di poter concludere che la probabilità di questi eventi fosse corrispondente al severo standard dei “5σ” (5 sigma) a cui si attengono i fisici delle particelle per confermare una scoperta.

In campo scientifico si usa annunciare una scoperta solo quando si è praticamente certi che l’evento sia reale e non sia frutto di una semplice fluttuazione statistica. La regola è che bisogna essere certi al 99,9999% del risultato (in gergo statistico si dice: sicuri a 5σ). A dicembre del 2011 ci si fermava a poco più del 99% e per questo motivo la raccolta di dati è proseguita nel 2012. A luglio di quell’anno si era giunti al valore significativo di 5σ e solo allora si è deciso di dare l’annuncio della scoperta alla stampa.

Riconoscere la natura della particella è però altra cosa. Accertata l’esistenza di una nuo­va particella con una massa intorno a 125-126 GeV/c2, ora si vuol capire se si tratta effetti­vamente del bosone di Higgs. Il valore della massa farebbe pensare a quella particella, ma sembra che i fisici non avessero fretta per trarre conclusioni.

Mentre essi erano ancora impegnati alla verifica e al completamento del Modello Stan­dard già guardavano verso nuove teorie. Fra le tante merita di essere citata la Supersim­metria la quale ipotizza l’esistenza di un partner bosonico per ogni fermione e un partner fer­mionico per ogni bosone in modo che ad ogni particella materiale ne corrisponda una me­diatrice di forza e viceversa. Per distinguere fra i partner si mette una “s” davanti al nome della particella partner del fermione (l’elettrone, ad esempio, ha come partner il se­lettrone) e la desinenza “ino” per i partner dei bosoni (il fotone, ad esempio, avrà come partner il fotino).

La teoria affascina i fisici perché prevede l’esistenza del bosone di Higgs in modo spon­taneo, mentre il meccanismo che conferisce massa alle particelle materiali è una specie di corpo estraneo introdotto forzatamente e imposto dall’esterno. Rimane un problema di non lieve entità in quanto nessuna delle particelle supersimmetriche è stata vista in natura né osservata negli acceleratori. I fisici nonostante tutto sono convinti della loro esistenza.

Prof. Antonio Vecchia