Che cos'è il Bosone di Higgs e come fa a conferire massa alle particelle elementari?

(Immagine: Cms/Cern)

 

Il bosone di Higgs, spesso chiamato la "particella di Dio" dai media, è una delle particelle fondamentali nel modello standard della fisica delle particelle. Fu teorizzato per la prima volta nel 1964 da un gruppo di fisici, tra cui Peter Higgs, da cui prende il nome. È la particella associata al campo di Higgs, un campo scalare che permea tutto l’universo, conferendo massa alle particelle attraverso un meccanismo noto come meccanismo di Higgs. Questa particella fu scoperta sperimentalmente il 4 luglio 2012 presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, segnando uno dei più grandi successi della fisica moderna.

Che cos'è il bosone di Higgs?

Il bosone di Higgs è una particella elementare con massa. È un bosone, il che significa che segue le leggi della statistica di Bose-Einstein e ha spin intero (nello specifico, spin 0). È il "quanto" del campo di Higgs, cioè la manifestazione particellare di questo campo. Per analogia, si può pensare al fotone come la particella associata al campo elettromagnetico; allo stesso modo, il bosone di Higgs è la particella del campo di Higgs.

Il modello standard della fisica delle particelle descrive tutte le particelle conosciute e le loro interazioni (eccetto la gravità). Tuttavia, affinché questo modello funzioni, le particelle devono avere una massa. Il meccanismo di Higgs spiega come le particelle elementari acquisiscano la massa. Il campo di Higgs esiste ovunque nello spazio; quando una particella interagisce con questo campo, essa acquisisce massa. Le particelle che interagiscono maggiormente con il campo di Higgs sono più massicce, mentre quelle che interagiscono debolmente hanno massa inferiore o nulla.

Come funziona il meccanismo di Higgs?

Il meccanismo di Higgs è cruciale per spiegare come le particelle ottengano la loro massa senza violare i principi della simmetria elettrodebole. La simmetria elettrodebole è un concetto secondo cui le interazioni elettromagnetiche e le interazioni deboli sono due manifestazioni di una stessa forza fondamentale a energie molto elevate. Tuttavia, a energie più basse (quelle che sperimentiamo quotidianamente), queste forze si comportano in maniera molto diversa, principalmente a causa della presenza del campo di Higgs.

A temperature estremamente elevate, come quelle presenti nei primi istanti dopo il Big Bang, tutte le particelle erano prive di massa, e le forze elettromagnetiche e deboli erano unite. Quando l’universo si raffreddò, il campo di Higgs "si accese" e le particelle iniziarono a interagire con esso, acquisendo massa in base alla forza dell'interazione. Le particelle come i bosoni W e Z, responsabili dell'interazione debole, acquisirono massa attraverso questo meccanismo, mentre il fotone, che è responsabile dell'interazione elettromagnetica, non interagisce con il campo di Higgs e rimane senza massa.

Quanto è grande il bosone di Higgs?

Quando si parla delle dimensioni di una particella elementare come il bosone di Higgs, non si fa riferimento a una dimensione fisica come quella di un oggetto macroscopico. Le particelle elementari sono considerate "puntiformi", ossia prive di una struttura spaziale interna. Tuttavia, possiamo parlare delle energie coinvolte o della lunghezza d'onda associata a una particella.

Il bosone di Higgs ha una massa di circa 125 gigaelettronvolt (GeV), che corrisponde a circa 2,2 × 10⁻²² grammi. In termini di energia, questo lo rende una delle particelle elementari più massicce, ma in termini di dimensioni effettive, le particelle elementari non hanno un "volume" definibile come gli oggetti ordinari. Piuttosto, possiamo pensare alla lunghezza d’onda di de Broglie associata alla particella, che è inversamente proporzionale alla sua energia. Per una particella come il bosone di Higgs, che ha un'energia molto elevata, la lunghezza d’onda associata è estremamente piccola, nell'ordine di 10⁻¹⁸ metri.

Come fa il bosone di Higgs a dare massa alle altre particelle?

Il bosone di Higgs è la manifestazione particellare del campo di Higgs, che è responsabile del conferimento della massa alle particelle elementari. Per capire come ciò avvenga, bisogna comprendere il ruolo del campo di Higgs. Ogni particella elementare si muove attraverso questo campo, che agisce come una sorta di "resistenza". Più una particella interagisce con il campo di Higgs, maggiore è la resistenza che incontra e, di conseguenza, maggiore è la sua massa.

Immagina un campo di Higgs come una sorta di melassa che riempie tutto lo spazio. Quando una particella passa attraverso questa melassa, sperimenta una resistenza: le particelle che interagiscono fortemente con il campo (come i quark top) "sentono" molta resistenza e quindi acquisiscono una massa elevata. Le particelle che interagiscono debolmente con il campo, come gli elettroni, acquisiscono una massa minore. Altre particelle, come i fotoni, non interagiscono affatto con il campo di Higgs e quindi non hanno massa.

Questa resistenza, che corrisponde alla massa, è una proprietà fondamentale per l'esistenza della materia come la conosciamo. Senza il campo di Higgs, le particelle sarebbero prive di massa e non potrebbero formare atomi, molecole o qualsiasi altra struttura stabile nell'universo. La scoperta del bosone di Higgs ha quindi fornito una prova sperimentale di questo meccanismo teorico.

La scoperta del bosone di Higgs

Dopo decenni di ricerca, il bosone di Higgs fu finalmente scoperto il 4 luglio 2012 al CERN, utilizzando il Large Hadron Collider (LHC), il più grande acceleratore di particelle del mondo. Questa scoperta ha richiesto l'osservazione di miliardi di collisioni tra protoni a energie estremamente elevate. Quando i protoni collidono, si possono formare particelle molto massicce per un tempo brevissimo, tra cui il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs, una volta creato in una collisione, decade quasi istantaneamente in altre particelle, che possono essere rilevate dai rivelatori dell'LHC. Analizzando questi decadimenti, i fisici sono riusciti a identificare la presenza del bosone di Higgs e a determinare la sua massa.

Implicazioni della scoperta

La scoperta del bosone di Higgs è stata una pietra miliare nella fisica delle particelle, ma ha anche sollevato molte nuove domande. Sebbene il bosone di Higgs conferisca massa alle particelle, non spiega l’origine della massa della particella stessa, né il motivo per cui le particelle abbiano le masse specifiche che osserviamo. Inoltre, il modello standard non include la gravità, e non spiega il 95% dell’universo, composto da materia oscura ed energia oscura.

L'LHC continua a operare con l'obiettivo di raccogliere più dati e investigare possibili nuovi fenomeni oltre il modello standard, come la supersimmetria o le dimensioni extra.