Che cos'è il Bosone? Proviamo a spiegarlo in modo semplice
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Corrado Ruscica - 01/01/2016
Lo stesso giorno in cui è stato tenuto il seminario del 4 luglio al CERN di Ginevra sulla presentazione degli ultimi dati raccolti tra il 2011 e il primo semestre del 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS, i media si sono veramente scatenati riportando la “scoperta della particella di dio”, ovvero del bosone di Higgs. C’è da dire che è stata fatta tanta confusione soprattutto tra i non addetti ai lavori e molti siti web e blog si sono, come dire, fregiati della notizia senza badare molto a ciò che è stato effettivamente detto o rivelato, fatta eccezione per qualche blog. Dunque, facciamo un pò d’ordine a distanza, ormai, di qualche settimana.
Prima di tutto, il risultato più importante che è stato ottenuto dai due rivelatori è che la nuova particella è un bosone scalare, osservato per la prima volta, che ‘sembra essere consistente’ nell’ambito del modello standard con quanto ci si aspetta per il bosone di Higgs. Sin dal 1964, Peter Higgs aveva proposto una idea in base alla quale il vuoto è davvero una entità fisica che possiede determinate proprietà fisiche e in cui le particelle elementari possono interagire. I risultati ottenuti da ATLAS e CMS rappresentano la prima evidenza sperimentale che questa idea del vuoto è corretta. I fisici del CERN lo hanno dimostrato creando un’onda nel vuoto che si mostra come una nuova particella. Dunque, le onde si propagano nel vuoto, anche se a prima vista questa affermazione potrebbe suonare alquanto strana.
Spieghiamo il Bosone in modo semplice
Per capire meglio questo concetto, introduciamo la seguente analogia dove le particelle elementari sono sostituite da pesci. Facciamo conto di essere biologi marini e vogliamo studiare le proprietà dei pesci, come e quanto velocemente si muovono, quanto sono grandi, e così via. Certo, per fare questo, dobbiamo capire l’ambiente in cui essi vivono, in altre parole dobbiamo sapere che cos’è l’acqua. Ora, per studiare i pesci, i biologi non mettono in dubbio l’esistenza dell’acqua perciò se fossimo i primi a proporre il concetto di acqua sarebbe una impresa difficile da comunicare dato che chiunque non dubiterebbe della sua esistenza. Ad esempio, il test dell’acido potrebbe causare la formazione di un’onda e dimostrare così che c’è “qualcosa” che si muove nell’acqua al di là dei pesci. Da un punto di vista teorico, ciò vuol dire che ci stiamo muovendo in un mezzo e che le proprietà di questo mezzo controllano, per così dire, il comportamento delle particelle elementari. In maniera analoga, quello che è stato fatto al CERN per la prima volta è il nostro “test dell’acido” che perturba il vuoto e causa la formazione di un’onda. La miglior teoria che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali, il modello standard, ci permette di descrivere anche le proprietà del vuoto. Ma ci sono altre teorie che differiscono tra loro sul concetto di definizione di vuoto e quindi sulla tipologia di onde, o di bosoni di Higgs, che possono propagarsi. Grazie ai risultati di questi esperimenti, oggi abbiamo la possibilità di studiare le loro proprietà e di discriminare quale teoria sia più adatta a descriverne il loro comportamento.
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Questa nuova particella è davvero il bosone di Higgs?
Questa particella è stata creata facendo scontrare due fasci di protoni, un processo che ha generato qualcosa come mezzo miliardo di collisioni protoni-protoni al secondo, ognuna delle quali libera una quantità di energia pari a 3500 miliardi di elettonVolt (eV) da cui può emergere un bosone di Higgs.
Ad esempio, il rivelatore ATLAS ha analizzato circa 800 trilioni di collisioni tra il 2010 e Giugno 2012: di queste solo 8 interazioni sembrano aver prodotto un bosone di Higgs che decade producendo una coppia di bosoni Z, mentre in altre 200 interazioni è stato osservato un decadimento con la formazione di due fotoni. Ora la probabilità di non trovare alcun segnale è di 1 su 3.500.000 il che vuol dire, in termini dei fisici delle particelle, che è stata “scoperta” una nuova particella. Risultati analoghi sono stati ottenuti dal rivelatore CMS. Inoltre, i due valori della massa della particella sono molto vicini e si trovano nell’intervallo di energie 125-126 GeV: ciò vuol dire che entrambi i valori cadono nell’intervallo atteso per la massa del bosone di Higgs, anche se dobbiamo dire che si estende fino a 700 GeV.
Il passo successivo sarà quello di misurare le proprietà della particella ed in particolare lospin, ossia il suo momento angolare intrinseco che nel caso del bosone di Higgs è zero. Insomma, da un punto di vista sperimentale bisogna verificare se le proprietà della particella siano consistenti nell’ambito del modello standard anche se qualcuno spera il contrario in modo che tali risultati rappresentino, invece, l’inizio di una serie di nuove scoperte e di tante soprese per il mondo della fisica.
Il fatto è che il modello standard presenta alcuni problemi. Per eliminarli, i fisici hanno proposto delle alternative che si basano su un concetto di bosone di Higgs composito, cioè costituito da altre particelle di materia, dotato di dimensioni spaziali extra e di qualcosa d’altro chiamato supersimmetria. L’estensione del modello standard, la supersimmetria, prevede non uno bensì cinque bosoni di Higgs che, si spera, potranno essere rivelati non appena LHC sarà nuovamente operativo nel 2014, dopo un lungo periodo di arresto dovuto ad una serie di manutenzioni e di aggiornamenti hardware/software, e la sua energia di collisione sarà raddoppiata. Le implicazioni che può avere la scoperta del bosone di Higgs, se si tratta veramente del bosone di Higgs, è che i teorici devono confrontarsi con i problemi che sorgono dal modello standard e far quadrare il cerchio. In altre parole, qualcuno ritiene che la nuova particella possa essere un “bosone di Higgs supersimmetrico” perchè la teoria prevede che la massa del bosone di Higgs non sia più grande di 135 GeV.
In definitiva, tutto torna o si tratta di una nuova fisica? Ancora non lo sappiamo e perciò non ci resta che aspettare nuovi dati.
Per riassumere, devo ancora una volta sottolineare il fatto che la scoperta di questa nuova particella è di fondamentale importanza perchè conferma un’idea radicale in base alla quale il vuoto è caratterizzato da proprietà fisiche: ecco, questa sarebbe stata la vera notizia che i media avrebbero dovuto riportare. Concludo, riportando una affermazione del fisico teorico Lawrence Hall della Università della California a Berkeley: “Il bosone di Higgs è un mostro, è una cosa orribile. Non è come la bellezza che si trova nelle particelle elementari e nelle forze connesse da una elegante simmetria. Si tratta di un oggetto orribile che dobbiamo forzare a metterlo nel modello standard in modo da avere una sua complessità”.
Per gentile concessione di Corrado Ruscica, dal Blog: astronomicamens.wordpress.com
