Con o senza bosone, siamo già nell’Era Post-Higgs

Dopo il clamore e le perplessità suscitate dall’annuncio del 4 luglio sulla scoperta del bosone di Higgs, un gruppo di fisici dell’Università dell’Iowa non ha dubbi. In un paper di 24 pagine, pubblicato nella rivista Physics Letters B dedicata a studi di fisica nucleare e delle particelle, si dice che l’esperimento condotto con l’ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), uno dei sei rivelatori di particelle costruiti per il Large Hadron Collider (LHC), ha mostrato l’esistenza di una nuova particella.

Della “struttura” di questa particella non sappiamo nulla. Per questo motivo, che sia effettivamente il bosone di Higgs non sembra il problema più importante. Ciò che conta è che sia “funzionalmente identica” al bosone e, soprattutto, che non si osservi sperimentalmente “solo” il bosone.
Era da svariati anni che ci si aspettava di rilevare qualcosa di simile al bosone. Dalle collisioni si generano molte particelle (bosoni W e Z, leptoni, quark, etc.) con caratteristiche energetiche note. Tra queste, si è sempre sperato di trovare anche il bosone di Higgs cercando, nell’insieme di dati forniti dagli acceleratori, eventi non previsti: ad esempio, un numero troppo alto di collisioni in corrispondenza di un certo intervallo di energia compatibile con quelli previsti per l’Higgs, intorno a 125 gigaelettronvolt (GeV).

Sappiamo che per particelle come quella prevista da Higgs non è difficile misurarne e predirne gli effetti. Più difficile è coglierle mediante un’osservazione sperimentale, dato che decadono molto velocemente in altre particelle. Il bosone di Higgs decade in due modi: o diventa un bosone con forza elettrodebole (bosone W e Z), oppure si trasforma in due fotoni. A parte il decadimento quasi immediato, ancora oggi non sappiamo nulla del suo comportamento né delle sue proprietà.
L’esistenza del bosone è necessaria per il Modello Standard, la teoria che spiega (all’interno del cosiddetto campo di Higgs che permea lo spazio) il comportamento delle 12 particelle osservate fino ad ora: sei tipi di quark e di leptoni (tra cui l’elettrone e il neutrino), cui si aggiungono le particelle mediatrici di forza: il fotone per l’interazione elettromagnetica, i gluoni per la forza forte e i bosoni W e Z per la forza debole. Il campo di Higgs non predice la massa del bosone, ma dà un range di masse possibili: 114-141 GeV. Abbiamo avuto la conferma di un segnale nella regione di massa di 126 GeV da parte di CMS (Compact Muon Solenoid, costruito per osservare soprattutto muoni, elettroni e protoni), e di 126,5 GeV per ATLAS. Incrociando le osservazioni di questi acceleratori, gli scienziati hanno potuto studiare la “significatività statistica” dei dati a loro disposizione.

Con “significatività statistica” si intende questo: quante probabilità ci sono che quel picco di 125 GeV sia frutto del caso e non sia causato dal comportamento di una particella subatomica? In statistica questo tipo di probabilità si calcola determinando il sigma del processo, ovvero rappresentandone la deviazione standard. Prima del 4 luglio eravamo a 3 sigma, il che voleva dire che l’esistenza del bosone di Higgs era data allo 0,13%. Posto che bisogna arrivare almeno a 5 sigma  (0,000028%) per poter parlare in modo coerente di scoperta e non di semplice ipotesi, è significativo che con il CMS si è arrivati a 4,9 sigma, mentre con ATLAS si è giunti a toccare il 5.

Fino ad oggi, il bosone di Higgs era l’unica particella prevista dal Modello Standard a non essere ancora stata osservata. Il Modello Standard è la più accreditata teoria per spiegare il comportamento delle particelle elementari dell’universo visibile, come alcune delle forze grazie alle quali esse interagiscono. Le sue equazioni sono simmetriche, nel senso che le particelle appaiono tutte allo stesso modo a prescindere da quale sia la loro massa. Ed è per spiegare la differenziazione tra le cose che il Modello stesso necessita di una particella diversa dalle altre. Diversa in quanto deve essere capace di trasmettere materia alle altre, in modo da “aggregare”, “disgregare” e “spezzare la simmetria” tra le altre particelle, garantendo all’universo la struttura che conosciamo.

Infatti, a seconda di come interagiscono con l’Higgs, le altre particelle acquisiscono massa. In modo simile ai fotoni che trasferiscono energia alle particelle che incontrano, così i bosoni di Higgs sarebbero primariamente vettori di massa. Le varie particelle elementari attrarrebbero più o meno bosoni di Higgs, acquisendo in questo modo la massa che le contraddistingue.
Se questo tipo di bosoni – o qualcosa di analogo capace di dare consistenza alle cose – non esistessero, il Modello Standard andrebbe ridiscusso. Tra l’altro, senza il bosone non ci sarebbe nulla in grado di spiegare la forza nel campo di Higgs: di conseguenza, il Modello Standard risulterebbe inefficace, in quanto si limiterebbe a descrivere processi con una probabilità maggiore di uno. Di fronte a questo scenario, i fisici dovrebbero pensare ad estensioni del Modello Standard, elaborare altri modelli che, forse, condurrebbero ad una fisica radicalmente diversa.

Ora, il team di ricercatori dell’Iowa ci dice che trovare l’Higgs o un suo analogo “esotico” non è abbastanza. “Per quanto possa rivelarsi di grande interesse, il risultato più deludente sarebbe trovare il bosone di Higgs, o una particella simile, e niente altro. In realtà la speranza è di trovare qualcosa che vada al di là delle previsioni del Modello Standard”, ha detto Jim Cochran, docente di fisica e di astronomia all’Univesità dell’Iowa. Il Modello Standard dice “fin troppo” del bosone ma, paradossalmente, non dice nulla in merito alla sua massa.
“In futuro ci aspettiamo di trovare qualcosa di ancora più interessante”, precisa Chunhui Chen, fisico e collaboratore di Jim Cochran. Queste scoperte potrebbero includere: (1) una spiegazione del modo in cui, nell’universo, la materia riesce a dominare l’antimateria. (2) Una produzione diretta di antimateria, ossia della materia oscura che costituisce, secondo alcune ipotesi, fino all’84% dell’universo. (3) Una comprensione della debolezza della forza di gravità, se confrontata con le altre forze che ci sono note.

Senza chiamare in causa la fantascienza – commenta il professor Thomas W. Meyer  – potremmo essere molto vicini all’individuazione di una nuova, o di nuove dimensioni nel tessuto dello spazio-tempo (previste dalla teoria delle stringhe), oppure ad una quarta generazione di leptoni e di quark. I progetti di ricerca dei prossimi trent’anni in fisica delle particelle sono indubbiamente eccitanti.
Gli ingegneri sono già al lavoro per implementare l’LHC con l’obiettivo di rendere possibili collisioni ad una velocità ancora maggiore. Infatti, poiché l’equazione di Einstein stabilisce la proporzionalità tra massa ed energia (E=mc2), avere a disposizione più energia significa poter studiare particelle più pesanti, consentendo una verifica comparativa dei dati già oggi in nostro possesso. In base a questa equazione, infatti, l’elusiva particella di Higgs avrebbe una massa pari a 130 volte quella di un protone.
I team di fisici ed astrofisici dell’Iowa collaborerà alacremente con il CERN e con i laboratori di Argonne e Brookhaven (Upton, NY): dal controllo dei dati allo sviluppo di nuovi software per supportare le variazioni di energia necessarie ai vari esperimenti di collisione che riprenderanno nel 2014. Non solo. Jim Cochran ha detto chiaramente che l’obiettivo è di “andare oltre” il Modello Standard cercando altre particelle. Orbene: con o senza bosone, dal 4 luglio 2012 per la fisica è iniziata una nuova era, l’Era Post-Higgs. Non si tratta solo di garantire massa all’universo e, correlativamente, di spiegare i punti (1), (2) e (3) – il che sarebbe già un risultato davvero notevole. Si tratta di estendere e complessificare il Modello Standard. Non si può negare che di strada ce ne sia ancora molta da percorrere.
Per ulteriori dettagli sull’articolo pubblicato si rinvia al seguente link: http://phys.org/news/2012-08-iowa-state-physicists-higgs-physics.html#jCp