Che rottura di … simmetrie!

Il modello standard relativo alla fisica delle particelle (perché ne esiste anche uno relativo alla cosmologia) descrive tre delle quattro forze conosciute: la forza nucleare forte, quella debole e la forza elettromagnetica. La forza gravitazionale invece non è inclusa (è uno dei limiti che il modello presenta ad oggi).
Ogni forza può essere descritta da una particella detta mediatore della forza: il fotone è il mediatore di quella elettromagnetica e, come il gluone, che è il mediatore della forza forte, esso è un bosone di massa uguale a zero. La forza debole è invece mediata dai bosoni W e Z con masse un centinaio di volte quella del protone. Le osservazioni ci dicono che W e Z sono dotati di massa, mentre invece le teorie degli anni ’60 prevedevano che essi dovessero avere massa nulla, esattamente come il gluone ed il fotone. Tale discrepanza, pose una sfida alla fisica fino ad allora conosciuta, ma è spiegabile proprio mediante l’introduzione del campo di Higgs e di una rottura di simmetria spontanea.
Ma cosa significa esattamente?!
Le descrizioni delle interazioni fondamentali si basano sulla nozione di simmetria, ovvero, sul fatto che una certa proprietà fisica possa essere invariante rispetto a qualche trasformazione (ad esempio, se ruotiamo una sfera vedremo sempre la stessa cosa, quindi possiamo dire che la sfera è invariante per rotazioni). Sfruttando il concetto di simmetria, negli anni ‘60 si giunse ad una unificazione delle forze elettromagnetica e debole, descritte quindi da un’unica forza chiamata elettrodebole. Per unificazione delle forze si intende che, sebbene le due forze appaiano come diverse e distinte, esse sono in realtà due facce della stessa medaglia (la forza elettrodebole). Tuttavia, proprio l’essenza simmetrica della teoria impediva la presenza di mediatori di forza massivi. Una rottura di simmetria era dunque l’unico modo che potesse dare una spiegazione alla massa dei bosoni W e Z. Per fare un esempio, possiamo rompere la simmetria della nostra sfera facendola ruotare intorno ad un asse, ma a questo punto ogni ulteriore rotazione ne cambierebbe la direzione ed il sistema non sarebbe più simmetrico. La rottura di simmetria necessaria a descrivere W e Z fa sì che la forza elettrodebole si separi in due forze distinte: la forza elettromagnetica e quella debole.
Cosa provoca la rottura spontanea di simmetria di cui abbiamo bisogno? La risposta è il campo di Higgs: alle elevate temperature dei primi istanti di  vita dell’universo, la teoria elettrodebole rispetta particolari simmetrie (matematicamente parlando), ma l’abbassamento delle temperature innesca il cosiddetto meccanismo di Higgs. Questo fa sì che le particelle mediatrici della forza elettrodebole interagiscano col campo di Higgs da cui risulta la formazione dei bosoni massivi W e Z, espressione della forza debole (separata ora da quella elettromagnetica) ed i fotoni, espressione della forza elettromagnetica.
La rottura si dice spontanea perché il campo di Higgs viene spontaneamente indotto verso un maggiore equilibrio dall’abbassamento delle temperature. Il motivo per cui il fotone resta senza massa è che durante la rottura di simmetria la particella da cui esso trae origine non interagisce col campo di Higgs. Solo le particelle che interagiscono con questo campo possono infatti dare origine a particelle massive e più lente (infatti, più una particella è massiva e più sarà lenta).
Quindi l’osservazione del campo di Higgs è necessaria al fine di confermare la teoria. Siccome ogni particella può essere descritta come l’eccitazione in un punto dello spazio e del tempo di un campo associato, rivelare la particella relativa al campo di Higgs implica dimostrare l’esistenza del campo stesso.
Aver trovato il tanto ricercato bosone di Higgs (annunciato nel luglio 2012) ha permesso di confermare la validità del modello standard, che altrimenti avrebbe dovuto essere ripensato da capo. Il modello, tuttavia, è ancora lontano dal potersi definire completo. Infatti, la gravità non è contemplata, così come resta misteriosa l’origine della materia oscura, l’asimmetria tra materia e antimateria e altro ancora.
Il modello standard potrebbe semplicemente far parte di un quadro più grande che potrebbe essere svelato usando strumenti più potenti di LHC, oppure teorie differenti potrebbero dare una spiegazione più completa dei fenomeni naturali. In ogni caso, si potrà definire meglio la questione solo tramite nuovi esperimenti. Non resta quindi che attendere che scienza e tecnologia ci forniscano le agognate risposte!