Nessuna cosa, per quanto utile, reca giovamento in un fuggevole contatto.
Seneca, Lettere morali a Lucilio
I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard, che vuole descrivere sia la materia che le forze (interazioni) dell'Universo. La bellezza di tale teoria risiede nella sua capacità di descrivere tutta la materia sulla base di poche particelle e interazioni fondamentali (Vai al video). Le idee chiave sono :
Esistono particelle che sono i costituenti fondamentali della materia. Il Modello Standard sostiene che le particelle fondamentali si dividono in 2 gruppi principali - i quark e i leptoni - e ogni gruppo è costituito di 6 elementi (detti anche sapori o flavour).
Esistono particelle che sono mediatrici di forza.
Le interazioni tra le particelle fondamentali di materia avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici di forza (un esempio che svilupperemo in seguito è il mediatore dell'interazione elettromagnetica, il fotone).
Il Modello Standard è una buona teoria in quanto gli esperimenti fatti l'hanno verificato con un'incredibile precisione e quasi tutte le sue previsioni si sono rivelate corrette. Pur tuttavia esso non spiega tutto, come ad esempio la forza gravitazionale. Sappiamo che la materia che ci circonda è composta da soli tre tipi di particelle: gli elettroni, i protoni, e i neutroni, che si uniscono per formare gli atomi. In termini di Modello Standard, le particelle fondamentali costituenti della materia sono i quark up e down (costituenti del protone e del neutrone) e il leptone elettrone. Ma perché il Modello Standard introduce nuove particelle oltre i quark up e down e l'elettrone? Per rispondere a questa domanda iniziamo il percorso introducendo le forze che agiscono tra le particelle fondamentali. Storicamente, osservando e studiando i meccanismi attraverso i quali le particelle interagiscono (anni '50), i fisici hanno scoperto nuove e inaspettate particelle (il muone e il kaone). In seguito - dal 1974 (scoperta della particella J/psi) al 1997 (scoperta del quark top) - quasi tutte le altre particelle che completano il quadro previsto dal Modello Standard sono state sperimentalmente osservate.
In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e sono responsabili della struttura dell'Universo.
Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale. Prima di introdurle sono necessarie alcune brevi premesse. Come già accennato, il Modello Standard descrive le interazioni tra le particelle fondamentali come uno scambio di una o più particelle mediatrici di forza che sono chiamate bosoni intermedi, o bosoni di gauge o quanti del campo di interazione. Queste particelle, trasportatrici dell'energia dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti. Per descrivere un'interazione è importante definire due quantità: il raggio d'azione e l'intensità. Il raggio d'azione di un'interazione è la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio, l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito e per questo motivo il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi come Plutone. L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura.
L'interazione elettromagnetica.
L'interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e molecolare della materia e si manifesta nella nostra vita quoditiana in molti modi, dall'energia elettrica che utilizziamo per accendere la luce e i vari elettrodomestici, ai segnali che portano nelle nostre case i programmi televisivi e radiofonici o che ci permettono di comunicare tramite il telefono cellulare. A livello microscopico, l'interazione elettromagnetica si manifesta tra tutte le particelle dotate di carica elettrica diversa da zero e ha il fotone come mediatore dell'interazione (bosone intermedio). Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si respingono reciprocamente. Ma come avviene questa repulsione? L'interazione fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e viceversa. Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di mitragliatrice. Ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula, mentre al tempo stesso ogni elettrone che è colpito da un fascio di fotoni è spinto via. Non sorprende che i due elettroni si respingano! Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggano. Un flusso di fotoni emesso da un elettrone che entra in collisione con un protone, non lo spinge via ma lo attrae verso l'elettrone, e viceversa. Poiché hanno massa nulla, i fotoni una volta prodotti possono propagarsi su distanze enormi, anche percorrere l'intero Universo! In altre parole, il raggio d'azione dell'interazione elettromagnetica è infinito; la radiazione cosmica di fondo è costituita da fotoni prodottisi a seguito del big bang. Inoltre l'intensità dell'interazione elettromagnetica diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro.
L'interazione forte.
Abbiamo accennato che l'interazione elettromagnetica è responsabile della coesione tra gli elettroni e il nucleo negli atomi. Quando si scende alla scala del nucleo atomico, i protoni e i neutroni sono tenuti insieme da un'altra forza, l'interazione forte che impedisce al nucleo di disintegrarsi in conseguenza della repulsione elettromagnetica tra i protoni. L'interazione forte non è però connessa direttamente a neutroni e protoni, bensì a una struttura più profonda, al loro interno, a livello dei quark. L'evidenza sperimentale dell'esistenza dei quark proviene da una serie di esperimenti eseguiti alla fine degli anni Sessanta e negli anni Settanta, iniziati dai ricercatori della Stanford University in California. Questi esperimenti utilizzarono fasci di elettroni di elevata energia sparati contro i nuclei atomici. Lo studio della diffusione degli elettroni dopo l'urto con i nuclei mise in evidenza la struttura interna dei protoni e dei neutroni. Ogni protone e neutrone è composto invariabilmente di tre quark. Il carattere più interessante dei quark è che essi non vengono mai osservati isolatamente ma solo in triplette (formando particelle indicate con il nome di barioni; protoni e neutroni sono barioni) e in coppie (formando particelle indicate con il nome di mesoni). I quark sono tenuti uniti dallo scambio delle particelle mediatrici della forza forte. Quando si trattò di dare un nome a queste particelle, i fisici si permisero una piccola battuta: le chiamarono gluoni perché "incollano" i quark l'uno all'altro (in inglese "glue" vuol dire "colla"). Per facilitare la comprensione del compito di queste particelle mediatrici, anziché pensare ai gluoni fra due quark come a un fascio di particelle, possiamo immaginarli come un robusto elastico che li unisce. Quando i quark sono vicini, l'elastico è allentato e possono muoversi l'uno relativamente all'altro, ma quando i quark cercano di allontanarsi fra loro (anche disponendosi semplicemente ai due lati opposti di un protone) l'elastico si tende e li attrae l'uno verso l'altro. Quanto più essi si allontanano, tanto più l'elastico si tende e tanto più fortemente essi sono attratti. Quindi l'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza delle particelle interagenti (i quark in un barione o in un mesone) ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm (1 fermi = 10^-15 m).
Così come l'interazione elettromagnetica avviene solo tra particelle dotate di carica elettrica, l'interazione forte avviene solo tra particelle composte di quark. Ciò è dovuto al fatto che i quark trasportano un nuovo tipo di carica, la carica di colore. Diversamente dalla carica elettrica, la carica di colore non si presenta nel mondo quoditiano. E' chiamata carica di colore perché le regole per combinare i quark in barioni (particelle con tre quark) e/o in mesoni (particelle con due quark) ricordano le regole per ottenere la luce bianca dai colori primari, ma in realtà questo tipo di carica non ha alcuna connessione con i colori.
L'interazione debole.
La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quoditiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta:
n = p + e + ve
Il decadimento beta è la trasfomazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un antineutrino elettrone. Seguiamo le singole fasi di questa trasformazione:
1. lo stato iniziale è un neutrone composto di due quark down e un quark up
2. un quark down interagisce con il campo dell'interazione debole ed emette il mediatore di quel campo, il bosone intermedio W, trasformandosi in un quark up. (Nota: la carica iniziale del quark down è -1/3, mentre la carica finale è la somma della carica del quark up (2/3) e del bosone W (-1). Questo vuol dire che la carica totale in un processo di trasformazione - o come tecnicamente si dice di "decadimento debole" - si conserva.)
3. il neutrone iniziale è ora diventato un protone (ricordiamo che un protone è composto di due quark up e di uno down)
4. il bosone W decade in un elettrone (carica elettrica -1) e in un anti-neutrino privo di carica elettrica. (Anche in questo passaggio la carica elettrica è conservata).
5. nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone.
Il processo appena descritto è alla base del fenomeno della radioattività di alcuni atomi come l'Uranio 238.
In generale, le interazioni deboli sono responsabili del decadimento di quark e leptoni. Le particelle mediatrici delle interazioni deboli sono due bosoni W - uno con carica elettrica positiva ed uno con carica elettrica negativa - e un bosone Z con carica elettrica nulla, tutti e tre hanno massa diversa da zero. Il raggio d'azione della forza debole è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra. Il raggio d'azione della forza è così piccolo perché i bosoni W e Z che la mediano sono molto pesanti (il bosone W è 85 volte la massa del protone, mentre il bosone Z è 97 volte la massa del protone), così pesanti che è difficile per due particelle scambiarseli! Ne segue che anche l'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola, tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi molto rari.
Negli anni settanta, le interazioni deboli ed elettromagnetiche sono state descritte nell'unica teoria delle interazioni elettrodeboli da S. Glashow, A. Salam e S. Weinberg (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) che realizzarono un ulteriore passo in avanti verso l'unificazione di tutte le forze fondamentali dopo quella delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell nell'800.
L'interazione gravitazionale.
La gravità è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare e fu la prima a essere studiata scientificamente. In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono si somma. Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo. Quindi anche se molto minore di intensità rispetto alle altre forze, a livello macroscopico la gravità produce effetti molto grandi proprio per la sua addittività. Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo e l'intensità dell'interazione gravitazionale, come accade per l'interazione elettromagnetica, diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi interagenti. La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre, il mediatore della gravità - per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone) - non è stato ancora sperimentalmente osservato. Giova osservare che le onde gravitazionali sono state trovate. O meglio, dall’11 febbraio è ufficiale che sono state per la prima volta misurate in modo diretto.
Le forze fondamentali
L'intensità relativa delle quattro forze fondamentali della natura può essere espressa in rapporto all'intensità della forza forte. Se poniamo l'intensità della forza forte uguale a 1, l'intensità, molto arrotondata, della forza elettromagnetica, è di circa 10^-2 (un centesimo della forza forte), l'intensità della forza debole è di 10^-13, mentre l’intensità della gravità è 10^38 volte minore della interazione elettromagnetica. Ciò significa che l'interazione forte è cento miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più intensa della gravità. Ricordiamo che la forza debole e la forza forte hanno entrambe un raggio d'azione molto limitato, operando su una scala assai minore delle dimensioni di un atomo. Al contrario, la forza elettromagnetica e quella gravitazionale hanno un raggio d'azione infinito. Infine ricordiamo le particelle mediatrici delle quattro interazioni fondamentali e le particelle sulle quali agiscono.
L'interazione gravitazionale agisce su tutte le particelle. Il gluone (interazione forte) agisce su tutti i quark, il fotone (interazione elettromagnetica) agisce su tutte le particelle dotate di carica elettrica, quindi su tutti i quark e su elettrone, muone e tau. I bosoni intermedi Z0, W+ e W- (interazione debole), agiscono su tutte le particelle.
La materia esotica.
L'elettrone e la coppia di quark up e down sono i mattoni fondamentali della materia stabile presente nell'Universo, ma il quadro delle particelle fondamentali, come abbiamo già accennato introducendo il Modello Standard, è molto più complesso. Vedi figura. Innanzitutto, ogni particella è accompagnata da un'antiparticella, ma non basta. Nelle interazioni con scambi di elevata energia che avvengono naturalmente (Raggi Cosmici) o artificialmente sono prodotte una grande varietà di particelle effimere, che in breve tempo si trasformano in particelle sempre più leggere fino ad assumere la forma della materia ordinaria che già abbiamo imparato a conoscere. Queste particelle effimere vengono indicate con il nome di materia esotica. Sono i leptoni muone e tau, tre tipi di neutrini che non decadono, e delle particelle i cui costituenti sono i quark strano, charm, beauty, e top, tutti previsti dal Modello Standard. La materia esotica, seppure di minore importanza per spiegare l'Universo così come ci si presenta, è essenziale per capire la sua nascita (il famoso Big Bang ) e la sua evoluzione fino ai nostri giorni. Le particelle materiali (leptoni e quark) si presentano in famiglie e la figura ci aiuta a visualizzarle.
I leptoni.
I leptoni si distinguono in sei sapori (o "flavour"): l'elettrone (e), il neutrino-elettrone, il muone (mu), il neutrino-muone, il tauone (tau) e il neutrino-tau. L'elettrone, il muone, e il tauone hanno tutti carica elettrica negativa (-1) e sembrano differire l'uno dall'altro solo per avere masse diverse. Se esprimiamo le masse in rapporto alla massa del protone, otteniamo che l'elettrone è 1836 volte più leggero, il muone è 9 volte più leggero e il tauone è quasi 2 volte più pesante del protone. A ogni particella e, mu e tau è associata una particella detta neutrino che non trasporta alcuna carica elettrica. La massa dei neutrini non è ancora stata misurata con precisione, ma noi sappiamo che è molto piccola ... quasi nulla! Nel 1995 un gruppo di fisici del laboratorio di Los Alamos hanno annunciò di aver misurato un possibile intervallo di valori per la massa del neutrino: da 100 000 a un milione di volte inferiore a quella dell'elettrone! Nota. Poiché i neutrini non hanno né carica elettrica né carica di colore (ricordiamo che la carica di colore è una caratteristica esclusiva dei quark) interagiscono con la materia che li circonda solo grazie alla forza debole. Ma la forza debole è causa di eventi estremamente rari, talmente rari che i neutrini sono in grado di attraversare l'intera massa terrestre senza subire alcuna interazione!
Ovviamente ci sono anche le corrispondenti antiparticelle.
I leptoni più pesanti - i mu e i tau - si trasformano velocemente (tramite interazione debole) in leptoni più leggeri. I fisici hanno osservato molti di questi decadimenti e hanno scoperto che le regole secondo le quali queste particelle decadono possono essere spiegate se dividiamo i leptoni in tre famiglie o generazioni: l'elettrone e il suo neutrino, il muone e il suo neutrino, il tauone e il suo neutrino. Nel processo di trasformazione di un leptone il numero dei membri di ogni famiglia prima e dopo la trasformazione resta costante.
I quark
Lo schema dei quark è molto simile a quello dei leptoni. Ci sono sei sapori di quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom o beauty (b) e top (t), in ordine di massa crescente. Ponendo uguale a 1 la carica di un elettrone, i quark up, charm e top hanno una carica di -2/3, mentre i quark down, strange e bottom hanno una carica di 1/3. Anche i quark si presentano in tre famiglie organizzate per massa crescente. Posta uguale a 1 la massa del protone, il quark up ha massa pari a circa 1/235, il quark down 1/135, il quark strange 1/6, il quark charm 1,6, il quark bottom 5,2 e il quark top 170. Si deve peraltro aggiungere che le masse dei quark sono state misurate finora solo con una precisione attorno al 20%.
Anche qui troviamo le corrispondenti antiparticelle.
Riassumendo, i mattoni fondamentali di tutta la materia visibile nell'Universo sono le particelle della prima famiglia o generazione (quark up e down, e gli elettroni). Questo perché tutte le particelle della seconda e terza generazione sono instabili e si trasformano velocemente nelle particelle stabili della prima generazione.
Ma perché le particelle fondamentali si presentano in famiglie? E perché sono 3? ... perché non soltanto una, la prima? ... che è quella sufficiente per descrivere il mondo che ci circonda così com' è adesso? Non lo sappiamo ... e senza capire perché la seconda e la terza generazione di particelle esistano, non possiamo scartare la possibilità che esistano altri quark e leptoni che ancora non sono stati scoperti. O forse la risposta è che i quark e i leptoni non sono fondamentali...
Il bosone di Higgs (mediatore del campo di Higgs)
Simbolo H0
Massa 125,3 Gev/c^2
Carica 0
Spin 0.
All'atto della sua scoperta, in un precedente lavoro avevo già parlato del bosone di Higgs con un articolo di tipo divulgativo. Con un secondo articolo ero entrato maggiormante nel merito. Come già detto, i fisici hanno tentato per anni di sviluppare un modello teorico (Modello Standard ) che consenta di descrivere le quattro interazioni esistenti in natura (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole e gravità ) come aspetti di un’unica interazione fondamentale. Come s'è già detto il primo passo in questa direzione, compiuto negli anni ‘60 del XX secolo - principalmente grazie al lavoro di Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam - è stata la messa a punto della teoria elettrodebole, che, come dice il nome, è in grado di descrivere congiuntamente l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole. Tuttavia, il modello elettrodebole originale aveva un problema: non riusciva a spiegare perché le particelle che esistono in natura hanno massa e, per di più, masse molto diverse tra loro. La massa gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento dell’Universo. Ad esempio, l’elettrone che tutti conosciamo è un elemento essenziale dell’atomo; la natura, secondo una logica non ancora chiara, ne ha realizzate due copie apparentemente ridondanti (il muone ed il tau) che differiscono solo per la loro massa. Un altro esempio riguarda i quark di cui esistono sei varietà: tre con carica elettrica positiva (up, charm, top) e tre con carica elettrica negativa (down, strange e bottom). Se non fosse per la loro massa, i quark con carica positiva e negativa apparirebbero quasi identici. Ad esempio il quark up (che è un costituente del protone) è simile al quark charm, eccetto che il secondo pesa quanto un atomo di idrogeno, mentre il quark top pesa addirittura quanto un atomo di oro. Il Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali presenta strutture e simmetrie che sono state fino a vent’anni fa nascoste dalla massa. Ad esempio le intensità delle forze elettromagnetica e debole sono intrinsecamente uguali, ma i loro effetti differiscono a causa della massa. Il fotone, la particella che trasmette la forza elettromagnetica, non ha massa e viaggia nello spazio alla velocità della luce. Di contro, le particelle analoghe che trasmettono la forza debole, i bosoni W e Z, pesano più di un atomo di ferro. La loro grande massa ne limita il raggio d’azione, rendendo la forza debole realmente debole. Dal punto di vista della sua validità il modello standard prevede che le particelle non abbiano massa.
Una delle domande principali che la fisica moderna si pone è:
da dove nasce la massa?
La soluzione proposta si basa sul lavoro teorico svolto indipendentemente, negli anni ’60, da Peter Higgs, da François Englertcon, Robert Brout e da Gerald Guralnik con C. R. Hagen e Tom Kibble. Il meccanismo risultante (che viene indicato con il nome del solo Higgs), si basa sull’idea di
rottura spontanea di simmetria.
La rottura spontanea di simmetria.
Il concetto di rottura di simmetria può essere compreso con un’analogia. Prendiamo una sottile barra cilindrica di metallo, e poggiamola in verticale su una superficie dura. Se ora ruotiamo la barra intorno al suo asse verticale, non notiamo nessun cambiamento: il sistema è perfettamente simmetrico rispetto a queste rotazioni.
Ora, iniziamo ad applicare una pressione dall’alto verso il basso sull’estremità superiore della barra. Dapprima non succederà nulla, ma appena la pressione sarà abbastanza grande (superando un valore critico che dipende dalle caratteristiche fisiche del sistema) la barra si incurverà. Non possiamo prevedere verso quale delle infinite direzioni possibili si creerà la gobba. Quello che sappiamo, però, è che questa nuova configurazione del sistema non è più simmetrica rispetto alle rotazioni intorno all’asse verticale. La simmetria iniziale si è rotta. La rottura spontanea di simmetria si presenta molte volte in natura, in contesti diversi, ma il meccanismo è simile a quello dell’esempio precedente. Dapprima un sistema fisico si trova in uno stato ad alta simmetria, ma, quando qualche parametro esterno al sistema viene alterato (ad esempio la temperatura), il sistema passa improvvisamente in un nuovo stato dove la simmetria iniziale si è rotta.
Questo è esattamente ciò che avviene secondo il modello elettrodebole. Alle altissime temperature presenti nell’Universo dopo il Big Bang l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole erano unificate: al diminuire dell’energia, nel corso della successiva espansione dell’Universo Bambino, la simmetria si è rotta spontaneamente e le due interazioni si sono separate. Altre teorie prevedono analoghi meccanismi di rottura di simmetria che hanno differenziato in diversi momenti dopo il Big Bang le altre forze fondamentali da quella che era l'unica Super Forza al momento iniziale.
Il bosone di Higgs
Torniamo al problema dell’origine della massa. La modifica al modello elettrodebole di Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam, e basata sul meccanismo di Higgs, prevede l’introduzione di un nuovo campo di forze che pervade tutto lo spazio: il campo di Higgs, a cui è associata una nuova particella mediatrice, il bosone di Higgs H0 (come al campo elettromagnetico è associato il fotone). È proprio il campo di Higgs a fornire la chiave per la rottura di simmetria dell’interazione elettrodebole e a spiegare perché le particelle hanno massa. Ad alte energie (come quelle presenti nell’Universo primordiale) il campo di Higgs è simmetrico, l’interazione elettromagnetica e quella debole sono unificate, e tanto i bosoni W e Z che il fotone sono privi di massa. A basse energie (come quelle dell’Universo attuale) non soltanto l’interazione elettromagnetica e l’interazione debole appaiono distinte, ma si altera anche la simmetria del campo di Higgs: ed è così, attraverso l’interazione con il campo di Higgs non più simmetrico, che i bosoni W e Z acquistano una massa, mentre il fotone ne resta privo. Un’analogia si può fare con il comportamento di una trottola in funzione della sua velocità di rotazione e quindi della sua energia cinetica. Quando la sua energia è elevata e quindi possiede grande velocità di rotazione, la trottola ruota attorno all’asse verticale. Tale asse rappresenta un asse di simmetria e tutte le direzioni nel piano orizzontale sono equivalenti tra loro. Quando la trottola termina la sua energia cinetica e si ritrova quindi a velocità nulla, essa cade individuando una direzione nel piano orizzontale. In tal modo si perde la situazione di simmetria: si dice che la simmetria si è rotta in modo spontaneo. In definitiva, attraverso la presenza del campo di Higgs nello spazio vuoto, è possibile spiegare l’origine della massa di tutte le particelle elementari del Modello Standard. Finalmente le diverse masse si spiegano con la differente intensità della loro interazione con il campo di Higgs. Un’analogia usata comunemente per rappresentare la diversa interazione delle particelle elementari con il campo di Higgs, e quindi l’origine delle loro masse, è quella di immaginare palline di diversa grandezza e velocità che attraversano un fluido molto viscoso (come della melassa): il fluido si appiccica in modo diverso alle varie palline, rallentandole in misura maggiore o minore. Se il campo di Higgs non ci fosse, l’universo sarebbe fatto di particelle senza massa in moto alla velocità della luce!
L’introduzione del meccanismo di Higgs nel modello elettrodebole ha avuto molto successo nello spiegare le proprietà delle particelle osservate nel mondo reale. Fino a poco tempo fa mancava però la prova definitiva della sua validità, ovvero l’osservazione diretta del bosone di Higgs. Secondo la teoria, il bosone di Higgs deve essere privo di carica elettrica e di spin , ma la sua massa non è prevista in modo preciso. Restando nell’ambito del modello standard sono possibili diversi valori di massa, ma esistono anche estensioni del modello standard in grado di fare previsioni in un intervallo ancora più ampio. L’osservazione diretta del bosone di Higgs è resa difficile dalla grande energia richiesta per la sua produzione negli acceleratori di particelle, e dal fatto che esso non esiste stabilmente per lunghi intervalli di tempo dal momento della sua creazione. Nel dicembre 2011 gli esperimenti ATLAS e CMS, in presa dati all’acceleratore Large Hadron Collider al CERN, il più grande ed avvenieristico progetto di fisica mai realizzato, hanno indipendentemente presentato possibili tracce della presenza di un bosone di Higgs. Il 4 luglio 2012, dopo aver raccolto ulteriori dati provenienti dall’acceleratore e con un enorme sforzo di analisi che ha coinvolto migliaia di fisici, i due gruppi del CERN hanno confermato l’esistenza di una particella, a una massa di circa 126 GeV/c^2 (per confronto, la massa di un protone è di poco meno di 1 Gev/c^2, ovvero oltre cento volte più piccola). Tutte le caratteristiche di questa particella che sono state fino ad ora verificate coincidono con quelle previste per il bosone di Higgs. La comunità dei fisici è ormai convinta di avere trovato il tassello mancante alla definizione del Modello Standard un nuovo punto di forza della fisica fondamentale. A suggellare l'importanza di tale scoperta è stata l'assegnazione del premio Nobel per la fisica del 2013 assegnato all'inglese Peter Higgs e al belga Francois Englert. L'altro autore della formulazione della rottura spontanea di simmetria, l'americano Roberto Brout, era deceduto nel 2011.
Per concludere se fino al XIX secolo si riteneva che tra gli oggetti dell'Universo esistesse solo l'etere, (la cui esistenza fu smentita dal famoso espeerimento di Michelson-Morley) il mezzo attraverso il quale si sarebbe propagata la luce oggi sappiamo che siamo immersi in un gran numero di "campi": gravitazionale, elettromagnetico, materia oscura, energia oscura, campo di Higgs, radiazione fossile, per citare i più importanti.
Eugenio Caruso - 04-11-2015
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