CERN: FORSE LA PARTICELLA DI DIO?

Foto: Fabiola Gianotti dalle 14.00 di oggi  ha presentato i risultati del CERN. 


Ultima ora: Anche se i risultati sono significativi, i dati non sono sufficienti  per  confermare con assoluta certezza l'esistenza del bosone di Higgs.
Nella scala che i fisici chiamano "sigma" o "deviazione standard" siamo ancora al livello 3 (livello di confidenza del 99.7%): per dichiarare con certezza una scoperta si richiede un livello minimo di 5 (livello di confidenza del 99.99994%). Ma LHC continuerà ad accumulare dati. E' possibile che ci sia una risposta definitiva entro un anno, quando le misure daranno dati più accurati. Qui le foto delle collisioni raccolte dall'esperimento CMS http://cdsweb.cern.ch/record/1406073


Solitamente una teoria è tanto più potente quanto più le sue previsioni su fenomeni ancora sconosciuti sono accurate ma la realtà è quella che è, e una teoria che la descrive può solo imitarla e non è nemmeno detto che ad imitarla sia l'unica. Aspettando le conclusioni sull'esistenza o meno del Bosone di Higgs è bene sapere che, in fisica, una teoria descrive parte della realtà del mondo, o meglio descrive attraverso un processo logico matematico quel che noi sappiamo della realtà.

 

Ciò però non significa che il mondo così descritto sia la realtà.

ll Modello Standard (MS) è una teoria che descrive i componenti primi della materia nell'universo e le loro interazioni. Le forze fondamentali in natura sono quattro: elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale, ma il Modello Standard è in grado di considerarne e descriverne solo tre: l'interazione elettromagnetica, quella debole (unificate nella cosiddetta interazione elettrodebole) e l'interazione forte.

Per descrivere i processi di interazione il modello sfrutta un metodo di approccio che in fisica è definito come “teoria di campo quantistica”, consistente quindi con la meccanica quantistica oltre che con la relatività speciale. In questo approccio ciascuna interazione tra i campi di forza e la materia è regolata da un'opportuna simmetria locale (di gauge); per conseguenza di questa scelta descrittiva, l'interazione tra campi di materia può interpretarsi in termini di scambio di quantità di campo, cioè la forza non agisce in continuità ma tramite delle particelle chiamate "bosoni" che, proprio per il loro ruolo, vengono detti “mediatori” o anche “bosoni di gauge”. A seconda del particolare tipo di interazione tra campo di forza e materia, lo scambio avviene con mediatori specializzati, in modo tale da trasmettere in modo quantizzato solo la forza di cui ciascun bosone è portatore. I bosoni di gauge sono:

 

- il fotone che media l'interazione elettromagnetica;

- i bosoni W e Z, che mediano la forza debole;

- i gluoni, che mediano la forza forte.

In generale, le particelle fondamentali che formano la materia sono divise in due grandi categorie che insieme formano i cosiddetti campi di materia: i fermioni a cui appartengono la famiglia dei leptoni e la famiglia dei quark con cui sono costruite altre particelle molto più note al grande pubblico, come per esempio i protoni e i neutroni e i bosoni che sono i mediatori delle forze. Abbiamo detto che leptoni e quark sono tutti fermioni e come tali sono particelle con spin (un grado di rotazione interna della particella) semintero uguale a ½, i bosoni di gauge sono caratterizzati invece da spin intero uguale a 1. Di fermioni in tutto ce ne sono 6 tipi, per i quark detti anche sapori e 6 tipi per i leptoni.

Il Modello Standard descrive le trasformazioni di gauge per mezzo di un'algebra di Lie chiamata “gruppo unitario di gauge”. Grazie a determinate simmetrie e proprietà, l'algebra del gruppo è in grado di descrivere l'interazione forte con la simmetria unitaria SU(3), mentre l'interazione elettrodebole con il prodotto dei gruppi algebrici SU(2)×U(1): questo fa si che il Modello Standard noto con il difficilissimo nome di SU(3)_C×SU(2)_L×U(1)_Y descriva tutte le particelle note. Tuttavia, se tale simmetria fosse esatta, tutti i bosoni di gauge sarebbero privi di massa (come accade per fotoni e gluoni); questa eventualità è esclusa dall'evidenza sperimentale che invece assegna una precisa massa ai bosoni W e Z, rispettivamente circa 80 e 91 GeV/c². Il modello quindi non funziona così bene come si crede, esiste però una possibilità. Per mantenerne inalterata la struttura fondamentale salvaguardandone le potenzialità, quindi le sue capacità predittive oltre che la consistenza teorica, occorre ricorrere ad un ulteriore meccanismo matematico che consenta di assegnare la massa a tutte le particelle. Tale possibilità è offerta dal meccanismo di Higgs, che a fronte dell'introduzione di un ulteriore campo scalare, un nuovo bosone detto per questo di Higgs, questa volta con spin intero uguale a 0, consente di assegnare una massa non soltanto ai bosoni W e Z, ma anche a tutti i fermioni del modello mediante la rottura della simmetria propria del gauge.

Il bosone di Higgs è il quanto del campo di Higgs. 


Secondo la teoria cosmologica prevalente, negli istanti iniziali dopo il Big bang, il campo di Higgs avrebbe subito un processo di variazione del potenziale del vuoto noto come “condensazione tachionica", acquisendo un valore di massa non-zero, valore che permea tutto lo spazio-tempo dell'universo ed è chiamato valore di aspettazione del vuoto. Proprio questo valore non nullo provocherebbe la rottura spontanea della simmetria del gauge dando massa ai bosoni W e Z e allo stesso bosone di Higgs. Il meccanismo così concepito è il più semplice in grado di dare la massa ai bosoni di gauge, garantendo così la compatibilità dell'intero complesso delle teorie di gauge con la realtà del mondo.

Benché il bosone di Higgs fino agli ultimi annunci di questi giorni non fosse ancora stato osservato in modo diretto (ma non è detto nemmeno ora fino a prossime conferme che lo sia stato) diverse speculazioni basate sulla consistenza interna del modello e sulle correzioni quantistiche a quantità misurate sperimentalmente come la massa del quark top, sembrano preferire una massa del bosone di Higgs dell'ordine della scala elettrodebole (200 GeV/c²).

Dato che il maggiore obiettivo di LHC è la ricerca del bosone di Higgs fino a masse dell'ordine di 120÷130 GeV/c², con possibilità di estendere le osservazioni fino ad una massa di 1 TeV/c² , sicuramente se non ora sarà presto possibile dare una risposta definitiva all'enigma della sua esistenza. Se consideriamo che fino ad oggi quasi tutte le verifiche sperimentali del Modello Standard si sono dimostrate in accordo con le previsioni, nonostante che il modello non sia una teoria veramente completa, perché non include una descrizione della gravità e non è nemmeno compatibile con la relatività generale, ecco allora che l'esplorazione delle interazioni oltre la scala elettrodebole alla ricerca di simmetrie o dimensioni differenti di quelle che oggi caratterizzano il modello diventa di primaria importanza.