La fisica che si nasconde ancora nel bosone di Higgs

La fisica che si nasconde ancora nel bosone di Higgs

07 marzo 2019

Dopo la scoperta del bosone di Higgs avvenuta nel 2012, il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra
non ha rilevato nuove particelle. I fisici però affermano che c’è ancora molto da imparare dalla
particella teorizzata da Higgs, Englert e colleghi negli anni sessanta

di Natalie Wolchover/QuantaMagazine

Nel 2012, nel tunnel circolare lungo 27 chilometri del Large Hadron Collider, che fa scontrare
particelle tra loro, ha fatto la sua comparsa il bosone di Higgs, l’ultima particella mancante
prevista dal modello standard della fisica, e il perno che tiene insieme quell’insieme di equazioni
vecchio di decenni.

Ma nessun’altra nuova particella si è materializzata nel collisore del CERN di Ginevra, lasciando
aperti molti misteri dell’universo che il modello standard non affronta. Ne è seguito un dibattito
sull’opportunità di costruire un successore ancora più grande di LHC – con la proposta di una
macchina di 100 chilometri di circonferenza, forse in Svizzera o in Cina – per continuare la ricerca
di nuova fisica.

I fisici dicono che c’è ancora molto che possiamo imparare dal bosone di Higgs stesso. Quello che si
sa è che l’esistenza della particella conferma una teoria vecchia di 55 anni sull’origine della
massa nell’universo. La sua scoperta ha permesso a Peter Higgs e François Englert – due dei sei
teorici che negli anni sessanta avevano proposto questo meccanismo per la generazione della massa –
di ricevere il premio Nobel per la fisica nel 2013.

Il meccanismo coinvolge un campo che permea tutto lo spazio. La particella di Higgs è
un’increspatura, o fluttuazione quantistica, in questo campo di Higgs. Poiché la meccanica
quantistica mette in correlazione particelle e campi della natura, la presenza del campo di Higgs si
riverbera in altri ambiti quantistici; è questo accoppiamento che dà la massa delle particelle
associate.

Ma i fisici sanno poco dell’onnipresente campo di Higgs, o del momento fatidico dell’universo
iniziale, quando improvvisamente si è spostato da un valore zero ovunque (o, in altre parole, non
esistente) al suo stato attuale, considerato uniforme. Quello spostamento, o evento di “rottura
della simmetria”, ha reso istantaneamente massicci quark, elettroni e molte altre particelle
fondamentali, e li ha portati a formare gli atomi e tutte le altre strutture che vediamo nel cosmo.

Ma perché? “Perché l’universo dovrebbe decidere di avere questa presenza pervasiva dell’Higgs? È una
domanda enorme”, ha detto Michelangelo Mangano, teorico delle particelle al CERN.

I fisici si chiedono se l’evento di rottura della simmetria dell’Higgs abbia avuto un ruolo nella
creazione dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo: cioè il fatto, ancora senza una
spiegazione, che c’è molta più materia che antimateria.

Un’altra domanda è se il valore attuale del campo di Higgs sia stabile o se possa di nuovo cambiare
improvvisamente, una prospettiva inquietante nota come “decadimento del vuoto”. Il valore del campo
di Higgs può essere pensato come una palla che si è depositata sul fondo di una valle. La domanda è:
ci sono valli ancora più profonde nella curva matematica che definisce i possibili valori del campo?
Se la risposta è affermativa, la palla finirà per scavare un tunnel verso la valle più bassa e più
stabile, corrispondente a un calo dell’energia del campo di Higgs. In questo caso crescerebbe una
bolla di “vero vuoto”, più stabile, che abbracciando il “falso vuoto” in cui abbiamo vissuto,
cancellerebbe tutto.

Non solo il campo di Higgs è legato all’origine e al destino dell’universo, ma il comportamento
della particella di Higgs può anche rivelare particelle nascoste o sconosciute con cui interagisce,
forse quelle che costituiscono la materia oscura mancante del cosmo.

In un collisore, quando le particelle si scontrano a una velocità prossima a quella della luce, la
loro energia cinetica si converte in materia, formando di tanto in tanto particelle pesanti come il
bosone di Higgs. Questo Higgs si trasforma rapidamente in altre particelle, per esempio una coppia
di quark top o bosoni W, e la probabilità di ciascun risultato dipende dalla forza
dell’accoppiamento dell’Higgs con ogni tipo di particella. Misurare con precisione le probabilità di
questi diversi decadimenti di Higgs e confrontare i valori ottenuti con le previsioni del modello
standard permette di rivelare se manca qualcosa, poiché la somma delle probabilità deve essere uno.

“Più studiamo l’Higgs, più potremmo scoprire che tutta la storia potrebbe non essere esattamente
come ce la aspettiamo, il che ci porterebbe a una nuova fisica”, ha detto Melissa Franklin, fisica
delle particelle alla Harvard University. “Da un punto di vista sperimentale, vogliamo solo fare un
bel po’ di prove e vedere che cosa succede”.

Questo è uno dei motivi per cui Franklin e molti suoi colleghi vorrebbero costruire una macchina più
grande, migliore. La prima fase del supercollisore proposto è stata soprannominata la “fabbrica
degli Higgs”, perché la macchina farebbe scontrare elettroni e positroni con energie attentamente
calibrate per massimizzare le possibilità di produrre bosoni di Higgs, i cui decadimenti successivi
potrebbero essere misurati in dettaglio. Nella seconda fase, la macchina gigantesca farebbe
scontrare protoni, provocando collisioni più caotiche ma molto più energetiche.

Con il Large Hadron Collider, la maggior parte degli accoppiamenti del bosone di Higgs con altre
particelle del modello standard sono stati misurati con una precisione del 20 per cento circa, ma un
futuro acceleratore che producesse molti più bosoni di Higgs, potrebbe definire i numeri con
un’accuratezza dell’uno per cento. Questo permetterebbe di capire molto meglio se le probabilità
raggiunge uno, oppure se i bosoni di Higgs decadono occasionalmente in particelle ignote.

Particelle extra accoppiate agli Higgs sono ipoitzzate da molte teorie fisiche che vanno oltre il
modello standard, inclusi i modelli “twin Higgs” e di “relaxion”. “Sfortunatamente, ci sono così
tanti modelli e così tanti parametri che non c’è speranza per un teorema che sicuramente accontenti
tutti” – ha detto il fisico delle particelle Matt Strassler – ma solo un’opportunità”.

Forse l’accoppiamento più importante che i fisici vogliono definire con precisione è chiamato
accoppiamento triplo di Higgs, in pratica la forza dell’interazione del bosone di Higgs con se
stesso. Questo numero è misurato contando eventi rari,non ancora osservati con LHC, in cui un bosone
di Higgs decade in due copie di sé. Il modello standard fa una previsione per il valore del triplo
accoppiamento dell’Higgs, quindi qualsiasi deviazione da questa previsione indicherebbe l’esistenza
di nuove particelle non incluse nel modello standard che influiscono sull’Higgs.

Misurare il triplo accoppiamento del bosone di Higgs rivelerebbe anche la forma della curva
matematica che definisce i diversi valori possibili del campo di Higgs, aiutando a determinare se il
vuoto del nostro universo è stabile o solo metastabile, cioè situato in un minimo locale oppure
globale della curva. Se la previsione del modello standard per l’accoppiamento è corretta, allora
l’universo è metastabile e destinato a decadere tra miliardi o migliaia di miliardi di anni.

Non è certo qualcosa di cui preoccuparsi, ma è un indizio importante sulla storia del nostro cosmo.
La capacità di rivelare il destino dell’universo è il motivo per cui il triplo accoppiamento
dell’Higgs “è al centro del programma sperimentale dei futuri acceleratori”, ha detto Cédric
Weiland, fisico delle particelle all’Università di Pittsburgh, che ha studiato questo accoppiamento.

Con una fabbrica di Higgs, ha detto Weiland, i fisici potrebbero misurare il triplo accoppiamento di
Higgs con una precisione del 44 per cento. Le collisioni protone-protone della seconda fase
potrebbero definire il suo valore entro il cinque per cento.

L’aspettativa di base è che le misurazioni di un futuro acceleratore confermeranno il modello
standard che – frustrando i tentativi dei ricercatori – sembra inaffondabile nonostante fornisca un
resoconto incompleto dell’universo fisico. Alcuni fisici sono perplessi rispetto alla prospettiva di
investire miliardi di dollari in una macchina che potrebbe limitarsi ad aggiungere qualche cifra
decimale di precisione alla nostra conoscenza di un insieme noto di equazioni.

Nei prossimi anni, fisici e agenzie di finanziamento discuteranno il valore di un successore del
Large Hadron Collider. La decisione di spendere vent’anni e altrettanti miliardi di dollari per
costruire un acceleratore con una circonferenza di 100 chilometri dipende dal suo potenziale di
scoperta. Gli acceleratori del passato hanno collocato i tasselli del modello standard uno per uno.
Ma una volta completato quel puzzle, non c’è alcuna garanzia che una macchina futura trovi qualcosa
di nuovo, lasciando i fisici con un dilemma: costruire o non costruire?

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 4 marzo 2019 da QuantaMagazine.org, una
pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la
comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione
autorizzata, tutti i diritti riservati)

www.quantamagazine.org/the-physics-still-hiding-in-the-higgs-boson-20190304/