Il dipartimento di fisica teorica del CERN ha ospitato un seminario per esplorare spiegazioni non convenzionali per le proprietà e l’origine del bosone di Higgs. Sebbene non sia stata trovata alcuna prova di soluzioni “naturali”, i dati futuri degli esperimenti ATLAS e CMS guideranno il percorso in avanti, cambiando potenzialmente la nostra comprensione della fisica fondamentale.
La scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC) nel 2012 è stata un trionfo della fisica teorica e sperimentale, ma le sue implicazioni stanno iniziando ora ad essere comprese. Misurazioni precise delle collaborazioni ATLAS e CMS mostrano che questa particella fondamentale, che è responsabile della generazione delle masse delle particelle elementari, si comporta come previsto dal Modello standard della fisica delle particelle vecchio di mezzo secolo. Ma da dove viene il bosone di Higgs? E perché è così leggero che l’LHC è in grado di produrlo in massa?
Tali enigmi sono stati discussi durante un seminario di una settimana, ospitato dal dipartimento di fisica teorica del CERN.
Il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs è la particella più semplice conosciuta: un “ frammento di vuoto ” senza carica né spin. Come per tutte le particelle elementari, è un’eccitazione, o quanto, di un’entità più fondamentale chiamata campo: il campo di Brout-Englert-Higgs unico e senza caratteristiche, che riempie uniformemente tutto lo spazio. Si ritiene che questo campo sia nato durante un’epocale transizione di fase “elettrodebole”, una frazione di nanosecondo dopo il Big Bang; mentre in precedenza le particelle elementari come l’elettrone si erano mosse alla velocità della luce, da allora in poi furono costrette a interagire per sempre con questa melassa quantistica, che le conferì la proprietà della massa.
Ma se questa immagine è vera, il bosone di Higgs stesso dovrebbe guadagnare massa dalle interazioni di particelle note con il suo campo genitore. La somma di queste cosiddette correzioni quantistiche suggerirebbe un valore per la massa del bosone di Higgs che è di molti ordini di grandezza maggiore di quello osservato. Oltre a metterlo al di là della portata di qualsiasi esperimento concepibile, un Higgs così pesante non consentirebbe la formazione dell’universo così come lo conosciamo.
Consapevoli di questo paradosso (chiamato problema della gerarchia elettrodebole) molto prima della scoperta del bosone di Higgs, e guidati dalla possibile esistenza di particelle e forze oltre quelle descritte dal Modello standard, i fisici hanno fornito varie spiegazioni. Una spiegazione prevede che il bosone di Higgs sia costituito da entità più basilari tenute insieme da forze molto forti, che eludono l’impatto delle correzioni quantistiche. Un’altra è che lo spazio-tempo possiede ulteriori dimensioni “supersimmetriche” che implicherebbero l’esistenza di un mondo speculare completamente nuovo di particelle che annullano le fastidiose correzioni quantistiche da quelle standard.
Finora, tuttavia, non è stata trovata alcuna prova di tali soluzioni “naturali” al problema della gerarchia elettrodebole.
L’Exotic Approaches to Naturalness, ha attinto a concetti come simmetrie generalizzate, miscelazione ultravioletto/infrarosso, congetture di gravità debole e “zero magici” per cercare di spiegare la massa del bosone di Higgs e altri numeri innaturali in fisica. Se il linguaggio è astruso, è perché i partecipanti al seminario sono stati incoraggiati a sfidare le convenzioni e a piantare semi di idee ai margini della conoscenza, comprese quelle che rifiutano del tutto il concetto di naturalezza.
Quest’ultimo rappresenterebbe una rottura radicale rispetto ai successi del passato. Dopotutto, la massa del bosone di Higgs non è l’unico numero apparentemente innaturale in natura: dove i fisici una volta erano perplessi sul motivo per cui l’energia elettrica dell’elettrone non cresce infinitamente grande a brevi distanze, per esempio, il mistero è svanito con la scoperta che l’elettrone ha un partner di antimateria, il positrone, che annulla la divergenza non fisica.
La massa innaturale del bosone di Higgs potrebbe anche essere collegata al valore estremamente piccolo ma diverso da zero della costante cosmologica, responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’universo.
“Questo seminario ci ha fornito un forum fantastico per portare una nuova prospettiva sui problemi di naturalezza, sia in una varietà di sistemi fisici che per la fisica delle particelle in particolare”, ha dichiarato il co-organizzatore del seminario Tim Cohen del CERN. “La nostra comunità riflette da decenni sul problema della naturalezza di Higgs, eppure molti di noi sospettano di non aver ancora trovato l’idea giusta. Se alla fine riusciamo a capire come la natura ha affrontato il problema della gerarchia elettrodebole, c’è un’altissima probabilità di apprendere qualcosa che cambierà la nostra prospettiva sulla fisica fondamentale e la filosofia riduzionista che ci ha servito fin dall’inizio della nostra disciplina”, ha aggiunto.
Mentre i teorici lasciano correre la loro immaginazione, la conclusione del workshop del CERN è stata chiara: il percorso sarà guidato dai dati. Campioni più grandi di bosoni di Higgs che saranno raccolti da ATLAS e CMS nei prossimi anni – e da esperimenti in una “fabbrica di Higgs” dedicata proposta per seguire LHC – consentiranno ai fisici di studiare l’interazione unica del bosone di Higgs con se stesso. Ciò fornirà informazioni sulla forma e sulla forma precise del campo di Brout-Englert-Higgs e sulla natura della transizione di fase elettrodebole, e forse ci dirà se il bosone di Higgs è naturale o stranamente messo a punto per la nostra esistenza.
