L'anello mancante della catena: il bosone di Higgs

Noi sappiamo che tutte le cose che esistono, dall’atomo, agli esseri viventi, fino agli ammassi di galassie, esistono semplicemente perché hanno una massa. Fu la stessa legge di gravitazione universale scoperta da Newton a farci capire l’importante ruolo della massa nelle leggi del cosmo. L’argomento fu ripreso in maniera ancora più raffinata da Einstein, che dimostrò che a massa può anche essere trasformata in energia. Eppure ancora oggi nessuno sa cosa sia la massa, cioè che cosa esattamente la crei. Inoltre le masse delle particelle che si misurano hanno valori ben precisi, senza i quali la materia non avrebbe la forma che ha. Ad esempio se la massa degli elettroni fosse molto maggiore di quella che hanno, l’universo cambierebbe completamente faccia. Dunque la questione della massa è una questione assolutamente fondamentale per la fisica (ma anche per le riflessioni filosofiche che crea!) ma resta allo stesso tempo uno dei suoi enigmi irrisolti.

Ponendo il problema in termini strettamente fisici, si può dire che sebbene il Modello Standard delle particelle elementari funzioni in maniera estremamente precisa nello spiegare le interazioni tra quark, leptoni e bosoni, questa teoria non è invece in grado di spiegare una delle più importanti proprietà delle particelle elementari, cioè la loro massa. Ad esempio, il Modello Standard non spiega perché il bosone fotone proprio dell’interazione elettromagnetica è privo di massa mentre i bosoni vettori propri dell’interazione debole sono dotati di massa. Si è effettivamente in grado di misurare la massa delle particelle nelle sperimentazioni con gli acceleratori, ma non si riesce a spiegare che cosa la crea. La particella più leggera  conosciuta (almeno ufficialmente) è l’elettrone, mentre la più pesante è il quark top, che pesa almeno 200.000 volte di più dell’elettrone.

Nel 1964 il fisico scozzese Peter Higgs (1929, tuttora vivente) ha proposto un meccanismo che permetterebbe di spiegare il modo in cui le particelle fondamentali possono avere massa. A questo scopo Higgs ha teorizzato che l’intero spazio sarebbe permeato da un campo, oggi denominato campo di Higgs, in qualche modo concettualmente simile al campo elettromagnetico. Dal momento che le particelle si muovono attraverso lo spazio devono per forza viaggiare attraverso questo campo e se interagiscono con esso acquisirebbero da esso la massa. In tal modo le differenze più svariate che si misurano nella massa delle tante particelle scoperte fino a oggi, dipenderebbe semplicemente dal grado di interazione che esse hanno con il campo di Higgs.

Ma dal momento che la teoria quantistica preveder una dualità di onde e particelle, allora il campo di Higgs dovrebbe per forza produrre una particella quantizzata. Questa particella viene chiamata “bosone di Higgs”, una particella che si prevede essere priva sia di carica elettrica che di spin intrinseco. Sebbene esso venga definito come bosone – e sarebbe il quinto dei bosoni se la sua reale natura fosse confermata – in realtà esso non si comporta come i bosnoi che governano le quattro interazioni conosciute, dal momento che esso non agisce come mediatore di forza come fanno invece gli alti bosoni quando scambiano energia con i fermioni. Il “bosone” di Higgs non è né una particella di materia né un portatore di forza bensì un “trasmettitore di massa”, ma non è ancora stato osservato. Riuscire a trovarlo confermerebbe l’ipotesi di Higgs sulla reale natura della massa di tutte le particelle e infatti la ricerca del bosone di Higgs al giorno d’oggi è probabilmente il più importante obiettivo della fisica particellare.

Tratto da L'atomo e le particelle elementari di Massimo Teodorani (Macro Edizioni, 2007).