Una nuova ricerca ha confermato le previsioni del Modello Standard sul bosone di Higgs, suggerendo al contempo che i dati futuri potrebbero rivelare aspetti sconosciuti della fisica delle particelle.
Scoperta del bosone di Higgs
Dodici anni fa, il bosone di Higgs è stato scoperto all’interno dei rivelatori del Large Hadron Collider. La sua natura elusiva e le difficoltà legate alla sua produzione e osservazione hanno ostacolato una comprensione completa delle sue proprietà nel corso del tempo. Tuttavia, un recente lavoro di un gruppo internazionale di fisici teorici, che include ricercatori dell’Istituto di fisica nucleare dell’Accademia polacca delle scienze, ha fatto luce su alcuni aspetti chiave della sua origine.
Conosciuto anche come “particella di Dio“, questo soprannome deriva dal titolo del libro di Leon Lederman, “La particella di Dio“. Il titolo originale, più irriverente, era “The Goddamn Particle” (“La particella maledetta“), e rifletteva la frustrazione per le difficoltà incontrate nel rilevamento di questa particella elusiva. L’editore ha optato per un titolo meno controverso, ma che coglie comunque l’importanza del bosone di Higgs nella fisica delle particelle: esso è infatti cruciale per la teoria che spiega come le altre particelle acquisiscano massa, un aspetto fondamentale della struttura del nostro Universo.
Il Modello Standard è una complessa struttura teorica elaborata negli anni ’70 per descrivere in modo coerente le particelle elementari della materia attualmente note (quark, nonché elettroni, muoni, tau e la triade associata di neutrini), le forze elettromagnetiche (fotoni) e le forze nucleari (gluoni nel caso delle interazioni forti, bosoni W e Z nel caso delle interazioni deboli).
La ciliegina sulla torta nella creazione del Modello Standard è stata la scoperta, grazie all’LHC, del bosone di Higgs, una particella che svolge un ruolo chiave nel meccanismo responsabile di dare masse alle altre particelle elementari. La scoperta dell’Higgs è stata annunciata a metà del 2012. Da allora, gli scienziati hanno cercato di ottenere quante più informazioni possibili su questa particella di fondamentale importanza.
Miglioramento dell’analisi delle collisioni del bosone di Higgs
Il dott. Rene Poncelet (IFJ PAN), ha spiegato: “Per un fisico, uno dei parametri più importanti associati a qualsiasi particella elementare o nucleare è la sezione d’urto per una collisione specifica. Questo perché ci fornisce informazioni su quanto spesso possiamo aspettarci che la particella appaia in collisioni di un certo tipo. Ci siamo concentrati sulla determinazione teorica della sezione d’urto del bosone di Higgs nelle collisioni gluone-gluone. Essi sono responsabili della produzione di circa il 90% dell’Higgs, tracce della cui presenza sono state registrate nei rilevatori dell’acceleratore LHC”.
Il Prof. Michal Czakon (RWTH), coautore dell’articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, in cui gli scienziati hanno presentato i loro calcoli, ha aggiunto: “L’essenza del nostro lavoro è stato il desiderio di tenere conto, quando si determina la sezione d’urto attiva per la produzione di bosoni di Higgs, di alcune correzioni che, a causa del loro contributo apparentemente piccolo, vengono solitamente trascurate, perché ignorarle semplifica notevolmente i calcoli. È la prima volta che siamo riusciti a superare le difficoltà matematiche e a determinare queste correzioni”.
L’importanza del ruolo delle correzioni di ordine superiore per comprendere le proprietà del bosone di Higgs può essere vista dal fatto che le correzioni secondarie calcolate nel documento, apparentemente piccole, contribuiscono per quasi un quinto al valore della sezione d’urto attiva ricercata. Questo si confronta con le correzioni di terzo ordine del tre percento (ma che riducono le incertezze computazionali a solo l’uno percento).
Una novità del lavoro è stata quella di tenere conto dell’effetto delle masse dei quark bottom, che ha portato a un piccolo ma evidente spostamento di circa l’uno percento. Vale la pena ricordare qui che l’LHC fa collidere i protoni, cioè particelle composte da due quark up e un quark down. La presenza temporanea di quark con masse maggiori all’interno dei protoni, come il quark beauty, è una conseguenza della natura quantistica delle interazioni forti che legano i quark nel protone.
Il dott. Poncelet ha dichiarato: “I valori della sezione trasversale attiva per la produzione di bosoni di Higgs trovati dal nostro gruppo e misurati in precedenti collisioni di fasci all’LHC sono praticamente gli stessi, tenendo naturalmente conto delle attuali imprecisioni computazionali e di misurazione. Sembra quindi che non siano visibili precursori di nuova fisica nei meccanismi responsabili della formazione di bosoni di Higgs che stiamo studiando, almeno per il momento”.
Futuro della ricerca sul bosone di Higgs e sul modello standard
La convinzione diffusa tra gli scienziati della necessità dell’esistenza di una nuova fisica deriva dal fatto che un certo numero di domande di fondamentale importanza non possono trovare risposta con il Modello Standard.
Perché le particelle elementari hanno le masse che hanno? Perché formano famiglie? Di cosa è fatta la materia oscura, le cui tracce sono così chiaramente visibili nel cosmo? Qual è la ragione della predominanza della materia sull’antimateria nell’Universo?
Il Modello Standard deve anche essere esteso perché non tiene affatto conto della gravità, che è un’interazione così comune.
È importante sottolineare che l’ultimo risultato dei fisici teorici dell’IFJ PAN, RWTH e MPI non esclude definitivamente la presenza di nuova fisica nei fenomeni che accompagnano la nascita del bosone di Higgs. Molto potrebbe cambiare quando i dati del quarto ciclo di ricerca gradualmente avviato del Large Hadron Collider inizieranno a essere analizzati.
Il crescente numero di osservazioni di nuove collisioni di particelle potrebbe rendere possibile restringere le incertezze di misura in modo tale che l’intervallo misurato di sezioni d’urto ammissibili per la produzione di Higgs non coincida più con quello definito dalla teoria. Se questo accadrà o meno, i fisici lo scopriranno tra qualche anno. Per ora, il Modello Standard può sembrare più sicuro che mai, e questo fatto sta lentamente iniziando a diventare la scoperta più sorprendente fatta con l’LHC.
