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Scoperta particella compatibile con il bosone di Higgs

9 anni fa

7 minuti

Nell’immagine, un evento registrato dal rivelatore del CMS riconducibile al decadimento di un bosone di Higgs in due fotoni (le due righe gialle e verdi), ma che potrebbe anche essere spiegato da uno dei processi noti della fisica del modello standard.

Oggi si è tenuto un importantissimo seminario, seguito da una conferenza stampa, al CERN, in cui sono stati esposti i risultati degli esperimenti CMS e ATLAS legati all’LHC, presentati rispettivamente da Joseph Incandela e Fabiola Gianotti, che avevamo già visto nella scorsa presentazione di dicembre. L’evento è stato trasmesso in streaming in internet e proiettato in varie parti del mondo.

Come sapete, quest’anno l’energia nel centro di massa dell’LHC è passata da 7 a 8 TeV, questo ha portato a una migliore risoluzione, che ha permesso di scoprire una nuova particella:

ATLAS ha osservato un picco di energia intorno ai 126 GeV, analogamente CMS ne ha osservata una intorno a 125 GeV, entrambi con una confidenza del $latex {5\sigma}$, cosa che è inequivocabilmente segno della presenza di una nuova particella a quelle masse.

Avere una confidenza del $latex {5\sigma}$ significa che le probabilità che quella vista non sia una particella ma una fluttuazione statistica è una su tre milioni. $latex {5\sigma}$ solitamente è la precisione richiesta per questo tipo di esperimenti.

Per chi fosse interessato, seguono, sotto spoiler, uno dei grafici che evidenziano l’esistenza di questa particella, tratti dal sito dell’esperimento CMS, gli altri possono andare oltre.

Spoiler


Qui vediamo il numero di eventi: in giallo/verde quelli previsti del fondo, in rosso l’andamento riscontrato sperimentalmente. Si può notare un picco intorno a 125 GeV, che si discosta dal fondo. Questo indica la presenza di una particella a quella massa.

Dai risultati delle due collaborazioni, è chiara l’esistenza di una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs SM.
Dai risultati delle due collaborazioni, è chiara l’esistenza di una nuova particella a quelle energie e che, tenendo conto delle incertezze e dei dati finora ottenuti è compatibile con il bosone di Higgs SM (SM indica che è quello previsto dal modello standard, che è il modello in vigore che descrive le interazioni fondamentali).

Saranno comunque necessari altri dati per stabilire se questa nuova particella ha o meno tutte le proprietà del bosone di Higgs SM (per ora si), soprattutto lo spin 0, che però richiede molte più misure rispetto a quelle ottenute finora, se così non fosse si scopriranno nuovi fenomeni fisici non previsti dal modello standard, per la gioia di tutti i teorici. I fisici del CERN sono fiduciosi di riuscire a dare una risposta a questa domanda già a fine anno, mentre l’analisi completa dei dati ottenuti finora uscirà verso fine luglio.

Quindi è stata trovata una particella che sembra essere il bosone di Higgs, molti indizi ci fanno pensare che sia lui, ma per averne la certezza dovremo aspettare ancora qualche mese. Fossi in voi comunque punterei su Higgs per il premio Nobel l’anno prossimo.

Ora, come richiesto a gran voce la scorsa volta, segue una breve spiegazione del meccanismo di Higgs, che non pretende di essere né completa né esaustiva, ma soltanto di spiegare perché il bosone di Higgs è così importante. Torneremo sull’argomento più avanti, quando ripartirà la rubrica sulla meccanica quantistica (sì, ripartirà!) e potremmo discorrerne in modo più approfondito.

Introduzione


Il bosone di Higgs nasce nell’ambito della teoria del campi, una versione della meccanica quantistica applicata ai campi e che ha svariate applicazioni nella fisica.

Questa teoria vede come entità fondamentali non le particelle, ma i campi come, ad esempio, quello elettromagnetico. Le soluzioni delle equazioni associate a questi campi rappresentano le loro oscillazioni, che, a loro volta, rappresentano le particelle (ad esempio il fotone per i campi elettromagnetici).

Qui entra in gioco Higgs, che idea il suo meccanismo di rottura di simmetria (la rottura è la base della teoria, ma è anche difficile da spiegare, soprattutto in un articolo scritto in poche ore, e non la vedremo), sulla falsariga di alcuni lavori precedenti di gente come Nambu (uno dei padri delle stringhe) e Goldstone; il suo lavoro, unito a quello di Glashow, serve ad unificare la forza elettromagnetica e quella debole in un’unica forza detta elettrodebole. Il modello, sviluppato dallo stesso Higgs, Englert e Brout e, indipendentemente, da Gulranik, Hagen e Kibble, però va oltre e spiega anche come le particelle acquisiscono massa, con quello che è noto come meccanismo di Higgs:

Il meccanismo di Higgs


Secondo Higgs esiste un campo uniforme che permea tutto lo spazio, detto campo di Higgs. Ogni particella priva di massa che si accoppia ad esso, guadagnerà energia potenziale e quindi, per $latex {E=mc^{2}}$, massa. Più l’accoppiamento tra la particella e il campo è forte, più la particella sarà massiva.

L’idea la si può capire pensando a quando si è immersi in mare o in una piscina: i movimenti sono più difficoltosi rispetto a quando si è in aria, come se i nostri arti pesassero di più.
In modo simile interagiscono le particelle con il campo di Higgs e quelle che interagiscono di più con il campo saranno le più pesanti e viceversa; le particelle a massa nulla (fotoni e gluoni), invece, non vi interagiscono direttamente.

Il modello, quindi, spiega da dove derivi la massa delle particelle e l’osservazione del bosone di Higgs, la particella accoppiata al campo e che trae energia dallo stesso, sarebbe una conferma dello stesso.

The goddamn particle


Chiudo con un mio personale rant contro quelli che si ostinano a chiamare il bosone di Higgs “particella di dio”: il soprannome, tanto amato dai giornalisti nostrani, non solo è fuorviante (avete visto qualche intervento divino nel meccanismo di Higgs?), ma nasce da una censura: il nome infatti deriva dal titolo di un libro di Leon Lederman, “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” che avrebbe dovuto intitolarsi “The Goddamn Particle…”, riferendosi all’estrema difficoltà nel trovare il bosone in laboratorio, che l’editore censurò in God.

Quindi, se i giornalisti di un “certo” giornale stessero leggendo questo articolo: per favore smettete di chiamarla particella di dio e cominciate a chiamarla con il suo vero nome: bosone di Higgs, non è difficile.

Spoiler

Come al solito, resto disponibile per chiarimenti. A voi!

PS: Comic Sans FTW! :res:

Approfondimenti:
Comunicato stampa del CERN
Comunicato della collaborazione CMS (al fondo sono disponibili documenti in italiano che approfondiscono i dati)
Notizia sul blog di un autore de Le Scienze
Meccanismo di Higgs
Campo di Higgs
Rottura di simmetria

[Lezioni di Fisica] è la rubrica di divulgazione scientifica curata da @il-cavaliere-di-berzelius

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