La fisica è alla ricerca di una particella di Higgs più pesante. Potrebbe sigillare il destino dell’universo

Alla ricerca di un bosone di Higgs più pesante

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Conosciamo tutti il bosone di Higgs, che con rammarico dei fisici è stato erroneamente etichettato dai media come la “particella di Dio“, una particella subatomica individuata per la prima volta con il Large Hadron Collider (LHC) nel 2012. Quella particella è una pezzo di un campo che permea tutto lo spazio-tempo; interagisce con molte particelle, come elettroni e quark, fornendo quelle particelle di massa, il che è piuttosto interessante.

Ma il bosone di Higgs si è rivelato sorprendentemente leggero. Secondo le migliori stime dei fisici avrebbe dovuto essere molto più pesante. Questo apre una domanda interessante: certo, abbiamo individuato un bosone di Higgs, ma si tratta l’unico bosone di Higgs? Ci sono altre cose che ancora non abbiamo trovato che integrano la massa mancante al bosone di Higgs?

Anche se non abbiamo ancora nessuna prova dell’esistenza di un bosone di Higgs più pesante, un gruppo di ricercatori con sede al LHC, il più grande collisore atomico del mondo, sta tentando di approfondire la cosa e si dice che quando i protoni vengono fatti a pezzi all’interno del collisore ad anello, bosoni di Higgs pesanti e persino particelle di Higgs composte da vari tipi di bosoni di Higgs potrebbero uscire allo scoperto.

Senza il bosone di Higgs, l’intero modello standard non funziona. Ma per parlare del bosone di Higgs, dobbiamo prima capire come il modello standard vede l’universo.

Nella nostra migliore concezione del mondo subatomico utilizzando il Modello standard, le cose che concepiamo come particelle non sono in realtà molto importanti. Invece, ci sono i campi. Questi campi permeano e assorbono tutto lo spazio e il tempo. C’è un campo per ogni tipo di particella. Quindi, c’è un campo per gli elettroni, un campo per i fotoni, e così via. Ciò che immaginiamo come particelle sono vibrazioni locali molto piccole nei loro campi specifici. E quando le particelle interagiscono (per esempio rimbalzando l’una sull’altra), sono le vibrazioni nei campi che stanno facendo una danza molto complicata.



Il bosone di Higgs ha un tipo speciale di campo. Come gli altri campi, permea tutto lo spazio e il tempo, e inoltre può interagire in vari modi con i campi di tutte le altre particelle. Il campo di Higgs ha due compiti molto importanti da svolgere che non possono essere svolti da nessun altro campo.

Il suo primo compito è parlare con i bosoni W e Z (attraverso i rispettivi campi), i portatori della forza debole nucleare. Parlando con questi bosoni, l’Higgs è in grado di dare loro massa e assicurarsi che rimangano separati dai fotoni, i portatori di forza elettromagnetica. Senza il bosone di Higgs che causa interferenze, tutti questi vettori sarebbero uniti e così le loro due forze.

L’altro lavoro del bosone di Higgs è parlare con altre particelle, come gli elettroni; attraverso queste conversazioni, anche a loro dà massa. Tutto funziona bene, perché non abbiamo altro modo di spiegare la massa di queste particelle.

Tutto questo è stato risolto negli anni ’60 attraverso una serie di complicate ma sicuramente eleganti equazioni matematiche, purtroppo, però, c’è solo un piccolo intoppo alla teoria: non esiste un modo reale per prevedere la massa esatta del bosone di Higgs. In altre parole, quando vai alla ricerca della particella (che è la piccola vibrazione locale del campo molto più grande) in un collettore di particelle, non sai esattamente cosa troverai e dove.

Nel 2012, gli scienziati dell’LHC hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs dopo aver scoperto che alcune particelle che rappresentano il campo di Higgs erano state prodotte quando i protoni si erano distrutti scontrandosi l’uno con l’altro ad una velocità vicina a quella della luce. Queste particelle avevano una massa di 125 gigaelectronvolts (GeV), o circa l’equivalente di 125 protoni – quindi è un po’ pesante ma non così incredibilmente enorme.

A prima vista, tutto ciò suona bene. I fisici non avevano una previsione certa per la massa del bosone di Higgs, quindi poteva uscire qualunque risultato; è capitato di trovare la massa all’interno del range di energia dell’LHC. Hanno stappato lo spumante e hanno festeggiato.

A parte il fatto che ci sono alcuni mezzi pronostici sulla massa del bosone di Higgs basati sul modo con cui interagisce con un’altra particella, il top quark. Questi calcoli prevedono un numero superiore a 125 GeV. Certo, potrebbero essere sbagliate le previsioni, ma poi bisognerebbe riprendere in mano le equazioni e capire dove sta l’inghippo. Oppure la discrepanza tra le previsioni e la realtà di ciò che è stato trovato all’interno dell’LHC potrebbe significare che c’è di più nella storia del bosone di Higgs.

Insomma, potrebbe esserci un’intera pletora di bosoni di Higgs troppo pesanti per poterli individuare con l’attuale generazione di collisori di particelle. (La faccenda dell’energia di massa risale alla famosa equazione di E = mc^2 di Einstein, che mostra che l’energia è massa e la massa è energia. Più alta è la massa di una particella, più energia ha e più energia ci vuole per creare quella pesante cosa.)

In effetti, alcune teorie speculative che spingono la nostra conoscenza della fisica oltre il Modello Standard predicono l’esistenza di questi bosoni pesanti di HiggsLa natura esatta di queste identità aggiuntive di Higgs dipende dalla teoria, naturalmente, che va da uno o due campi Higgs extra-pesanti a, persino, strutture composite con più tipi di bosoni di Higgs attaccati insieme.

I teorici stanno lavorando per trovare ogni modo possibile per testare queste teorie, poiché la maggior parte di esse sono semplicemente inaccessibili alla tecnologia attuale. In un recente articolo presentato al Journal of High Energy Physics e pubblicato online nella rivista di preprint arXiv, una squadra di fisici ha avanzato una proposta per individuare l’esistenza di più bosoni di Higgs, in base al modo particolare in cui le particelle potrebbero decadere in particelle più leggere, più facilmente riconoscibili, come elettroni, neutrini e fotoni. Tuttavia, questi decadimenti sono estremamente rari, quindi, sebbene in linea di principio potremmo trovarli con LHC, ci vorranno ancora molti anni di ricerca per raccogliere dati sufficienti.

Quando si tratta di Higgs, occorre sempre avere molta pazienza.

Fonte: Live Science.

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