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Svelate le ‘eccitazioni’ di Higgs vicino allo zero assoluto

Scritto da Hoda Arabshahi il 27.07.2012

C’è stato un dibattito tra fisici teorici sulla possibilità di trovare particelle di Higgs a temperature vicine allo zero assoluto. Una collaborazione fra fisici tedeschi e americani ha misurato per la prima volta questi stati di eccitazione che possono essere presenti in un sistema con atomi ultrafreddi nella transizione tra diverse fasi della materia.

Il passaggio di stato della materia, ossia l’improvvisa interruzione della simmetria nella sua struttura, gioca un ruolo fondamentale nella fisica subatomica, in particolare per la descrizione delle transizioni di fase che cambiano l’intero stato di un sistema. Un esempio è lo spontaneo allineamento dei magneti atomici in una materia ferromagnetica che è raffreddata sotto punto di Curie, o temperatura di Curie. Essendo governato da un tale “ordine globale”, il sistema potrebbe essere eccitato da un’oscillazione collettiva, in cui tutte le particelle si muovono in modo coordinato.

Se il comportamento collettivo segue le regole della relatività, un tipo speciale di oscillazione potrebbe sviluppare la cosiddetta eccitazione di Higgs. Tale eccitazione gioca un ruolo chiave nel Modello Standard delle particelle elementari, dove viene chiamata particella di Higgs. Inoltre, i sistemi allo stato solido potrebbero mostrare le particelle di Higgs se i moti collettivi delle particelle obbediscano alle regole che assomigliano a quelle della Teoria della relatività. Tuttavia, la scoperta delle eccitazioni/particelle di Higgs è di solito più difficile, perché le eccitazioni tipicamente decadono presto. Inoltre, ci si aspetta che siano di durata particolarmente breve nei sistemi a basse dimensioni. Proprio per questo i teorici si chiedevano se fosse possibile osservare queste particelle a tali temperature.

Ora, un team di fisici dell’Istituto Max-Planck per l’Ottica Quantistica in una collaborazione con i colleghi dell’Università di Harvard e dell’Istituto californiano di tecnologia (Caltech) è riuscito a individuare sperimentalmente le eccitazioni di Higgs in un sistema bidimensionale di atomi ultrafreddi e ha pubblicato il risultato della ricerca sul numero del 26 Luglio della rivista scientifica Nature.

“Siamo molto felici di studiare questo fenomeno vicino allo zero assoluto, visto che di solito avviene ad altissime energie,” ha spiegato professor Immanuel Bloch, il primo autore dell’esperimento.

L’esperimento inizia con il raffreddamento degli atomi di rubidio a temperature vicine allo zero assoluto. Poi, gli atomi ultrafreddi si caricano dentro un reticolo bidimensionale ottico, uno schema simile ad una scacchiera, con regioni scure e chiare che sono prodotte dall’interferenza di raggi laser. Gli atomi ultrafreddi in tale reticolo offrono l’opportunità di realizzare diversi stati della materia. Per ogni reticolo ottico molto intenso (che significa con un alto contrasto tra le aree scure e chiare), uno stato altamente ordinato sviluppa i cosiddetti “isolanti di Mott” (dal fisico britannico Sir Neville Mott).

In questo stato, ogni reticolo viene occupato esattamente da un singolo atomo, che è fissato al suo posto. Se l’intensità del reticolo diminuisce sempre di più, può avvenire una transizione di fase ad un superfluido. In un superfluido, tutti gli atomi sono parti di un singolo campo che si estende oltre all’intero reticolo e descrive il moto collettivo del sistema come un’onda meccanica quantistica estesa. Quando il sistema si porta fuori dell’equilibrio, potrebbero generarsi le oscillazioni collettive sotto forma di eccitazioni di Higgs.

Da tempo c’è un dibattito teorico tra fisici per decidere se le eccitazioni di Higgs possano esitere in un sistema a bassissime temperature, e quali sarebbero le loro proprietà precise. “Ora – ha detto Manuel Endres, coautore, abbiamo rilevato un fenomeno che al momento non può essere calcolato con precisione. Questo rende l’osservazione sperimentale ancora più importante,” ha affermato Manuel Endres, uno dei ricercatori del progetto.

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