Il bosone di Higgs: fine di un’era o inizio di una “nuova” fisica?
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Luigi Maxmilian Caligiuri - 01/01/2016
La notizia della presunta individuazione sperimentale del famoso bosone di Higgs, volgarmente ribattezzato “la particella di Dio”, sta ricevendo celebrazioni in tutto il mondo scientifico e non solo ma questo “nuovo” bosone rischia di demolire quello stesso modello fisico che avrebbe dovuto “completare” e confermare ossia il modello standard (MS) delle particelle elementari (oggi il principale modello in grado di spiegare, anche se parzialmente, le particelle note e le forze che agiscono tra esse).
Il motivo è che molte delle proprietà della nuova particella - che si pensa possa essere il famigerato bosone di Higgs - o almeno qualcosa di molto simile ad esso - devono ancora essere verificate.
Cosa più importante, la “firma” che essa ha lasciato nei rivelatori dell’LHC del CERN non corrisponde esattamente a quanto previsto dal MS, lasciando così aperta la possibilità che la nuova particella sia in realtà qualcosa di molto più esotico, facente parte di un modello più completo della natura che finalmente sia in grado di includere la materia oscura e la gravità.
Tale eventualità rappresenterebbe la fine della supremazia del MS ma costituirebbe contemporaneamente un successo ancora maggiore della scoperta del bosone di Higgs stesso.
D’altra parte non è un mistero che il modello standard rappresenta solo una spiegazione molto parziale della realtà fisica, dal momento che semplicemente non è in grado di spiegare l’80% della materia - energia presente nell’Universo (la cosiddetta materia “oscura” appunto) e, cosa enormemente più grave non include la forza di gravità.
Il dato sperimentale presentato alla conferenza stampa del 4 luglio al CERN riguarda la misurazione di eccessi di particelle che si adattano al profilo di una particella di Higgs, con masse di 125 e 126 GeV (giga elettronvolt). L’attendibilità del dato sperimentale sembra notevole dal momento che, secondo gli sperimentatori, si attesterebbe intorno a 5 sigma (per intenderci le probabilità che la particella derivi dal “rumore” strumentale è di 5 possibilità su 10 milioni).
Assodato quindi il risultato, rimane da comprendere esattamente cosa effettivamente sia stato osservato. Il problema consiste nel fatto che il bosone non viene osservato “direttamente” ma attraverso i suoi prodotti di decadimento (altre particelle) più facilmente rilevabili ed il MS attuale prevede il rateo di decadimento del previsto bosone di Higgs di massa data in queste particelle. Orbene il rateo di decadimento osservato per la nuova particella non corrisponde a quello previsto per un bosone di Higgs da 125 GeV. Ciò riguarderebbe in particolare il decadimento del bosone in particelle tau (tauoni) per le quali il MS prevede, per un bosone di Higgs di tale energia, un intervallo di tempo pari al 6% dell’intervallo totale ma che, sperimentalmente, risulterebbe sensibilmente inferiore, determinando una produzione di tauoni irrisoria (dato relativo all’esperimento CMS, mentre nell’esperimento ATLAS non viene riportato alcun dato in merito).
A ciò pare si aggiunga un’ulteriore anomalia, presente in entrambi gli esperimenti, relativa ad un eccessivamente elevato rateo di decadimento della particella (circa una volta e mezza maggiore di quanto previsto dal MS) in coppie di fotoni. Ciò pone problemi particolarmente importanti, in quanto nel MS il bosone di Higgs non costituisce solo la particella che andrebbe a completare il quadro del modello stesso, ma svolge anche un ruolo chiave con riferimento alla stessa natura della materia in qualità di particella mediatrice dell’omonimo campo di Higgs.
Secondo il MS tutte le particelle devono attraversare tale onnipresente campo, alcune, come il fotone, rimanendone imperturbate e risultando pertanto prive di massa; le altre venendo rallentate ed acquistando pertanto massa. In particolare quindi il bosone di Higgs “fornisce” la massa ai componenti delle due grandi famiglie di particelle elementari: i fermioni (che costituiscono la materia ed includono elettroni, quarks, neutrini e, tra l’altro, i tauoni di cui sopra) ed i bosoni appunto (che sono i mediatori delle interazioni e che includono i fotoni, le particelle W e Z ed i gluoni, ma non i gravitoni!) Ma se, coma sembra, il bosone osservato non decade propriamente in particelle tau, stando ai risultati finora ottenuti, ammesso che si tratti proprio del bosone di Higgs del MS, esso non sarebbe probabilmente in grado di fornire ai tauoni una massa che tuttavia questi posseggono.
Potrebbe allora il bosone di Higgs fornire massa solo ai bosoni ma non ai fermioni? Del resto si deve ricordare che, quando nel lontano 1960 Higgs propose il suo modello, questo doveva rendere conto soltanto della massa dei bosoni ma fu solo successivamente esteso alle altre particelle dotate di massa, generalizzazione della quale lo stesso Higgs non era pienamente convinto. Cosa fornisce allora massa ai fermioni?
La risposta potrebbe aprire la strada ad una conferma di una delle più eleganti estensioni del MS: la supersimmetria (SS) che prevede in particolare la presenza di 5 bosoni di Higgs e di una serie di particelle “superpartners” delle particelle elementari dette “Higgsoni”, la cui presenza permetterebbe di superare le difficoltà del MS ed in particolare degli aspetti legati all’energia oscura ed al problema gerarchico assegnando ai fermioni la massa necessaria nel caso in cui il bosone rilevato non fosse in grado effettivamente di farlo. In particolare, un superpartner che permetterebbe di risolvere sia il problema del difetto di rateo dei tauoni che quello dell’eccesso di fotoni sarebbe rappresentato dal superpartner del quark top, il cosiddetto “stop”.
Ad ogni modo se gli attuali dati sperimentali dovessero venire confermati nel prossimo futuro, ci troveremmo di fronte ad un superamento del MS alla necessità di una nuova fisica, ben al di là di tale modello. Del resto, indipendentemente dalla vicenda che vede protagonista il nuovo bosone, e qualunque sarà il verdetto dei futuri esperimenti sulla reale natura di tale particella, è oltremodo chiaro che oramai la fisica contemporanea è giunta ad un bivio sostanziale: scegliere di continuare a sfornare nuove particelle, andando a popolare il già affollatissimo zoo delle particelle elementari e producendo quantità impressionati di dati sperimentali pur indispensabili allo sviluppo delle teorie fisiche, ovvero compiere quel grande e decisivo balzo concettuale verso una nuova e profonda sintesi in cui le due più grandi teorie della fisica vale a dire la meccanica quantistica (MQ) e la relatività generale (RG) possano fondersi una sintesi in grado di fornire una reale e profonda comprensione dei concetti fondamentali quali lo spazio, il tempo, il vuoto, il movimento e quindi l’energia oscura e lo stesso Universo.
Purtroppo è sempre forte la tentazione, favorita dalla alcune tendenze retrograde dell'accademia, di preferire l’analisi alla sintesi “inventando” ed introducendo all’occorrenza nelle teorie particelle o parametri liberi per far “tornare i conti”, piuttosto che rimboccarsi le maniche alla ricerca di una più fondamentale sottostante teoria.
Ma la Natura funziona realmente così? Può darsi, ma forse è un modo troppo semplicistico e poco coraggioso di aggirare gli ostacoli e le reali difficoltà di comprensione di una probabile teoria più generale ed onnicomprensiva della realtà.
Lo scopo della scienza, e della fisica in particolare, non può e non deve ridursi infatti alla sola ricerca dell'accordo con i dati empirici, ma deve essere quello di capire e spiegare, nei termini più fondamentali e semplici possibili, il funzionamento dell’universo dall’inizio del tempo, se ve ne sia effettivamente stato uno, all’eternità. Proprio dalle straordinarie proprietà del vuoto della gravità quantistica e dai fenomeni di coerenza elettrodinamica quantistica potrebbero derivare sviluppi nuovi e sorprendenti nella direzione di una vera Teoria del Tutto.
Ma di questo avremo occasione di parlare nelle prossime puntate...
