La storia del bosone di Higgs e le nuove sfide della fisica
Intervista a Guido Tonelli
Senza il bosone di Higgs riusciremo a comprendere ben poco del mondo che ci circonda. Non sorprende che la notizia della sua conferma, premiata con il Nobel per la Fisica nel 2013, abbia catturato l’attenzione dei media portando alla ribalta alcuni concetti della fisica teorica che, di solito, restano tra le mura delle Università e dei centri di ricerca.
François Englert e a Peter Higgs sono infatti stati premiati “per la scoperta teorica di un meccanismo che contribuisce alla nostra comprensione dell’origine della massa delle particelle subatomiche, e che di recente è stato confermato attraverso la scoperta della particella fondamentale previsto, dagli esperimenti ATLAS e CMS al CERN del Large Hadron Collider”. Si parla di massa, particelle subatomiche, esperimenti come ATLAS e CMS.
Simulazione Geant4 di un evento in un acceleratore di particelle che dovrebbe generare un bosone di Higgs. (Credit: CERN).
Oggi approfondiamo questi temi insieme ad uno dei principali protagonisti della scoperta del bosone di Higgs: il Prof. Guido Tonelli, fisico delle particelle all’Università di Pisa e ricercatore associato all’INFN, che dal 12 al 19 luglio 2014 terrà un ciclo di lezioni a San Bernardo-Val di Rabbi (TN) in occasione delle Vacances de l’Esprit. Il titolo è programmatico: Alla scoperta della “particella di Dio”: la storia del bosone di Higgs e le nuove sfide della fisica.
Domanda: Il bosone di Higgs è il quanto di un campo scalare che spiega perché le particelle hanno massa così diversa. A seconda del “grado” di interazione con questo campo, le particelle sono più o meno pesanti. Detto ciò, fino a che punto i meccanismi della rottura della simmetria elettrodebole ci aiutano a capire i primi istanti di vita dell’universo?
Guido Tonelli: Con la scoperta del bosone di Higgs e la misura della sua massa ora possiamo dire di aver capito una fase cruciale nella vita del nostro Universo. Ora sappiamo che una frazione di secondo subito dopo il Big Bang, – un centesimo di miliardesimo di secondo- si è installato ovunque questo campo scalare che ha confinato per sempre il raggio d’azione dell’interazione debole alle distanze sub-nucleari, lasciando immutato il raggio d’azione indefinito dell’interazione elettromagnetica. Da allora nulla è più stato come prima. Questa rottura della simmetria, che è all’origine della struttura fine del nostro Universo, ha giocato un ruolo fondamentale nell’evoluzione successiva del tutto. Senza il bosone di Higgs non ci sarebbe nulla di tutto ciò che conosciamo, non ci sarebbero gli atomi, non ci sarebbe la chimica, e, in ultima analisi, non ci saremmo noi.
D.: La scoperta del bosone di Higgs ha un’indubbia importanza storica. Prima di LHC avevamo a disposizione alcuni modelli teorici rispetto ai quali i dati di LHC hanno fornito numerose eccezioni o anomalie. Registrare anomalie significa anche riuscire, piano piano, a “completare” e ampliare il Modello Standard?
G. T.: Non c’e’ dubbio che questa scoperta segna una pietra miliare nella storia della fisica. Per certi versi dobbiamo ri-scrivere daccapo i manuali di fisica sui quali studieranno i ragazzi di domani. La massa delle particelle elementari non è più una proprietà “intrinseca” della materia ma nasce dall’interazione con questo nuovo campo scalare. Dobbiamo considerare la massa, ormai, come una proprietà “dinamica” della materia. I dati che LHC ha raccolto nei primi tre anni di attività hanno cancellato dall’orizzonte decine di modelli di fisica alternativi al Modello Standard. Quanto alle anomalie, devo dire che, per ora, i dati registrano un’impressionante coincidenza con quanto previsto dal Modello Standard. Le eccezioni si possono contare con le dita di una mano. Va anche detto che in molti casi non abbiamo precisione sufficiente per arrivare a conclusioni definitive e quindi c’e’ uno sforzo considerevole per aumentare in maniera sistematica l’accuratezza degli esperimenti.
Schema del rilevatore, si noti in basso in giallo una figura umana che mostra la scala del rilevatore. (Credit: CERN).
D.: CMS e ATLAS intendono anche capire cos’è la materia oscura. Negli ultimi tempi si è parlato molto del Large Underground Xenon (LUX), i cui risultati nulli potrebbero servire per stabilire nuovi limiti al tipo osservabile di materia oscura. Mentre alcuni esperimenti come Cryogenic Dark Matter Search (Cdms) e Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT) cercano di intercettare le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), CMS e ATLAS cercando di produrre la materia oscura. Fino a che punto i due approcci sono complementari?
G. T.: Sappiamo che la materia oscura che tiene insieme le galassie è una componente fondamentale del nostro Universo. La sfida è capire di quali particelle è composta. Nessuna delle particelle conosciute può spiegare le numerose osservazioni. Occorre cercare qualcosa che non è previsto dal Modello Standard. La difficoltà è che non abbiamo limiti stringenti sulla massa di queste particelle: potrebbero essere veramente leggere o molto più pesanti di ogni particella conosciuta. Per questo è necessario procedere con diverse tecniche sperimentali: ci sono esperimenti nel sottosuolo o su satelliti che cercano segnali d’interazione della materia oscura con la materia ordinaria mentre a LHC cerchiamo di produrre e studiare direttamente alcune delle particelle sconosciute che potrebbero spiegarla. Sono, in effetti, due approcci complementari e può darsi che si debba attendere ancora parecchio tempo ma sarà difficile sfuggire a una caccia condotta in modo così sistematico.
D.: La scoperta di particelle supersimmetriche può aiutare a capire l’origine della materia oscura?
G. T.: Certamente, in molti modelli di super-simmetria ci sono particelle massicce, stabili, debolmente interagenti che potrebbero essere candidati naturali a spiegare i fenomeni collegati alla presenza di materia oscura. Quell’alone di materia oscura, che i dati ci suggeriscono di considerare intorno a ciascuna galassia, potrebbe essere un gas fossile di pesanti neutralini, la più leggera delle particelle previste in alcuni modelli di supersimmetria. Il problema è che finora la caccia alle particelle supersimmetriche non ha dato risultati. E tuttavia le sorprese potrebbero ancora essere dietro l’angolo. Nel 2015 la ricerca ripartirà con LHC in funzione a energia nel centro di massa di 13TeV. L’aumento di energia potrebbe riservarci sorprese, rimanete in ascolto.
D.: Per quanto riguarda invece la materia ordinaria, gli ultimi progressi si devono ad ALICE che studia le collisioni tra ioni pesanti, piombo-piombo. Il plasma di quark e gluoni liberi simile a quello dell’universo primordiale che cosa ci dice della mPateria ordinaria?
G. T.: Gli studi effettuati a LHC utilizzando collisioni piombo-piombo hanno permesso di stabilire proprietà assolutamente incredibili della materia quando è esposta a temperatura e densità estreme. ALICE, ma anche ATLAS e CMS, hanno potuto stabilire che si comporta come un fluido a bassissima viscosità all’interno del quale le particelle elementari conosciute esibiscono comportamenti molto peculiari. E’ un mondo completamente nuovo il cui studio potrebbe aprire prospettive inaspettate nella comprensione dei primi istanti di formazione dell’universo materiale che conosciamo.
D.: CMS e ATLAS hanno un ruolo importante nella comprensione della struttura del nostro universo. La rivelazione di particelle esotiche può essere utile per capire quante sono realmente le dimensioni dell’universo?
G. T.: Qui si entra in un campo davvero affascinante. Negli ultimi decenni sono state sviluppate molte teorie basate su extra-dimensioni. Sono teorie che ipotizzano che nell’universo primordiale fossero accessibili altre dimensioni spaziali, oltre alle quattro dello spazio-tempo che ci sono familiari, che si sono richiuse e sono diventate inaccessibili nell’universo freddo e vecchio che ci circonda. Se la congettura fosse verificata, la debolissima costante di accoppiamento della gravità si spiegherebbe con il fatto che finora abbiamo preso in considerazione una semplice proiezione della forza di Newton nelle quattro dimensioni note. Ben più forte sarebbe l’interazione gravitazionale che si svilupperebbe in un universo a sei o a dieci dimensioni e il sogno di unificare la gravità con le altre interazioni fondamentali diventerebbe più realistico. Sono teorie veramente suggestive ma, fino a quando non si troveranno conferme sperimentali, resteranno eleganti congetture. Molte di queste teorie sono sottoposte a verifica con i dati di LHC. Alcune prevedono la produzione di nuove particelle veramente massicce che lascerebbero segnali chiaramente identificabili negli apparati del CERN. Finora non se n’è trovata traccia ma la ricerca continua.
Diagramma di Feynman di due gluoni virtuali generati dalla collisione di due protoni, che producono un ipotetico bosone di Higgs, un quark top e un quark antitop. (Credit: Wikipedia.org).
D.: La rivelazione del bosone di Higgs è un successo per il Modello Standard. Tuttavia al CERN si continua a testarlo, in quanto si sa che non è completo. Da questo punto di vista il lavoro di LHCb è fondamentale: studiando i decadimenti rari del beauty quark è possibile registrare anomalie che suggerirebbero la presenza di una nuova fisica oltre il Modello Standard. A che punto sono le ricerche in questo settore?
G. T.: LHCb, l’esperimento del CERN dedicato alle misure di precisione nella fisica del sapore, ha condotto una serie di misure impressionanti sui decadimenti rari del quark b ed ha misurato con grande precisione alcuni dei processi più sensibili alla presenza di nuova fisica. Tutti i risultati ottenuti fino ad ora indicano un grande accordo fra dati e previsioni del Modello Standard per cui il campo di esistenza della nuova fisica sembrerebbe spostarsi a energie superiori rispetto a quelle fin qui esplorate. L’esperimento tuttavia non ha ancora dispiegato appieno tutte le sue potenzialità e il nuovo run di LHC ad alta statistica ed energia più elevata consentirà di estendere ulteriormente il campo di ricerca.
D.: Quali sono le principali sfide per la fisica contemporanea? Al primo posto c’è l’elaborazione di una teoria più vasta di cui il Modello Standard è solo un “caso particolare”?
G. T.: la scoperta del bosone di Higgs segna per certi versi il trionfo del Modello Standard e tuttavia sono troppi i fenomeni che esso non è in grado di spiegare per pensare che siamo arrivati alla fine della storia. Il Modello Standard non spiega materia ed energia oscura, non ci fa capire cosa ha provocato l’inflazione, non dà conto della asimmetria fra materia e antimateria e soprattutto non incorpora la gravità. Per questo siamo sempre più convinti che, prima o poi, ci spiegheremo i fenomeni della natura con una teoria più completa che comprenderà il modello Standard come caso particolare. La bellezza del nostro lavoro è proprio questa: sappiamo che succederà ma non sappiamo quando. Potrebbe avvenire fra un anno, o forse occorrerà lavorare con pazienza per altri cinquant’anni. E forse saranno necessari nuovi acceleratori che renderanno minuscoli i giganti di oggi. La nuova teoria potrebbe essere una delle numerose congetture che ancora non siamo riusciti a verificare completamente o forse un qualcosa di completamente nuovo che nascerà dalla mente brillante di qualche giovane che, leggendo quest’articolo, si appassionerà alle sfide della fisica.
