Una priorità lo studio sulle proprietà del bosone di Higgs

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LHC conferma: è proprio il bosone di Higgs a dare massa ai muoni. I dati più recenti raccolti da due esperimenti al Large Hadron Collider – ATLAS e CMS – confermano che i muoni e altre particelle “di seconda generazione” acquisiscono la loro massa grazie all’interazione con il bosone di Higgs. Il risultato rafforza ulteriormente il modello standard della fisica delle particelle.

Nella tavola periodica, nessun elemento è più importante di un altro. Ma nel modello standard – una teoria che spiega i più piccoli costituenti dell’universo e le forze che li governano, meno la gravità – il bosone di Higgs è senza dubbio centrale. Come altri bosoni elementari – per esempio i fotoni, le particelle di luce – Higgs è un “portatore di forza”, ma invece di portare la forza elettromagnetica, forte o debole, porta massa a tutte le particelle elementari attraverso il cosiddetto campo di Higgs, che pervade l’universo.

Visualizzazione di un evento di collisione nel rivelatore ATLAS in cui si osservano due muoni (in rosso) di massa compatibile con quella del bosone di Higgs, e due getti di altre particelle (in giallo) (© ATLAS/CERN) 
Visualizzazione di un evento di collisione nel rivelatore ATLAS in cui si osservano due muoni (in rosso) di massa compatibile con quella del bosone di Higgs, e due getti di altre particelle (in giallo) (© ATLAS/CERN)

Le particelle che interagiscono, o “si accoppiano” fortemente con il campo di Higgs sono massicce. Quelle che si accoppiano debolmente con esso sono più leggere. I fotoni non interagiscono affatto con l’Higgs e di conseguenza non hanno massa.

Ma provare sperimentalmente che tutte le particelle elementari dotate di massa ce l’hanno grazie al campo di Higgs è rimasto difficile. Ora, per la prima volta, i fisici delle particelle hanno trovato la prova diretta che questo campo è il meccanismo che dà massa ai muoni, i cugini più pesanti degli elettroni. Le analisi dei dati di ATLAS e di CMS, due esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, hanno mostrato che il bosone di Higgs può decadere in due muoni, il che dimostra che i muoni si accoppiano con il campo di Higgs, da cui ottengono la loro massa.

I fisici delle particelle non sono sorpresi dal risultato. Il modello standard, che si è dimostrato straordinariamente accurato, prevede che il campo di Higgs dia massa a tutte le particelle elementari. Ma per confermare nei fatti questa idea, gli scienziati hanno bisogno di prove sperimentali per ogni tipo di particella, spiega Stefania Gori, fisico teorico all’Università della California a Santa Cruz, che non è stata coinvolta nella ricerca.

“Ovviamente, il modello standard è una grande teoria”, dice. “Ma vedere [interagire l’Higgs] in natura ha un peso molto diverso da una semplice assunzione dovuta alla nostra teoria.”

Nel 2012, quando ATLAS e CMS scoprirono una nuova particella, inizialmente fu denominata  Higgs-like, “simile a Higgs”, perché nessuno sapeva quante proprietà avrebbe condiviso con il bosone di Higgs che era stato postulato da un gruppo di fisici nei primi anni sessanta. “Non credo che, a causa di una cosa scritta nel 1964, questo comportasse che da una misurazione conseguisse immediatamente tutto il resto” dice Tristan du Pree, un fisico sperimentale di ATLAS. “Ecco perché penso che [un Higgs che si decompone in due muoni] fosse ancora un test molto importante che avrebbe potuto dare un altro esito.”

Il rilevatore dell’esperimento CMS al Large Hadron Collider (© Panja Luukka/CERN)
Il rilevatore dell’esperimento CMS al Large Hadron Collider (© Panja Luukka/CERN)

Dato che il bosone di Higgs ha superato altri test ed è apparso sempre più “simile a Higgs”, la qualifica di “simile” è stata tranquillamente abbandonata. Ma l’impegno per capire le proprietà della particella è solo cresciuto.

Come trovare un Higgs

Per creare un bosone di Higgs da zero, i fisici frantumano le particelle come in un crash test subatomico. LHC fornisce l’energia necessaria: accelera i protoni quasi alla velocità della luce, dando a ciascuno di essi un’energia di 6500 gigaelettronvolt, o GeV (a riposo, i protoni hanno un’energia di circa 1 GeV). Questi protoni accelerati circolano attraverso i 26,7 chilometri di tunnel di LHC finché non si scontrano. Questi scontri creano uno spray di detriti particellari e, in rari casi, l’inafferrabile bosone di Higgs.

Non è possibile osservare il bosone di Higgs, che dura circa un sestililionesimo di secondo, ma gli scienziati possono vedere in quali particelle si decompone. Le prove iniziali del bosone di Higgs provengono dal suo decadimento nei suoi simili.

I decadimenti delle particelle sono una questione di casualità descritta dai cosiddetti rapporti di ramificazione (branching ratio). Ciascuno dei molti processi di decadimento possibili è un “ramo” con una certa probabilità, un po’ come lanciare un dado per scegliere che strada prendere a un incrocio con molte biforcazioni. In generale, l’Higgs, che ha un’energia di 125 GeV, decade più facilmente in particelle pesanti che in quelle leggere.

Così, per esempio, il suo decadimento creerà un getto di quark bottom a 4 GeV 10 volte più spesso di una pioggia di quark charm a 1 GeV. Un bosone di Higgs che decade con due muoni (che “pesano” 0,17 GeV ciascuno) è relativamente raro – succede solo una volta su 5000. Quando si verifica un decadimento di questo tipo, ATLAS e CMS vedono due muoni con un’energia combinata di 125 GeV volare in direzioni opposte.

L’ultima misura combinata è statisticamente significativa per quasi quattro sigma, vale a dire che c’è circa una probabilità su 15.000 che il risultato sia un caso fortuito, supponendo che l’Higgs non si decomponga in muoni. E’ una prova forte, ma inferiore allo standard di cinque sigma (una probabilità su tre milioni e mezzo di probabilità) che cercano i fisici.

In precedenza, la prova che l’Higgs potesse decadere in due muoni erano così debole che gli sforzi dei teorici di trovare modelli in cui il muone ricavasse la sua massa da qualche altra parte erano perfettamente giustificati. Una proposta di un altro fisico – che du Pree ha definito in modo un po’ irriverente il “modello TRISTANdard” – usava per esempio tre diverse varietà del bosone di Higgs per dare massa a ogni generazione di particelle.

La convenzione prevede che i 12 fermioni (particelle di materia) del modello standard siano divisi in tre generazioni. Le particelle di una generazione hanno controparti in un’altra generazione che mostrano proprietà e comportamenti identici – per quanto ne sappiamo – a eccezione della massa.

In questa prospettiva, le particelle tau sono versioni più massicce dei muoni, che sono semplicemente versioni più massicce degli elettroni. E poiché ciò che chiamiamo “massa” è solo il risultato di quanto una particella interagisce con il campo di Higgs, la differenza tra ogni generazione potrebbe essere solo di quanto ogni particella si accoppia con il bosone di Higgs. Ma finora non c’erano prove che l’Higgs si accoppiasse con i fermioni al di fuori della terza generazione.

“Questa è la prima volta che c’è stata un’interazione tra l’Higgs e la seconda generazione”, dice Marc Sher, fisico teorico al College of William & Mary, che non ha partecipato ricerca. “È davvero una prova speciale di universalità, perché se ci fosse qualcosa di diverso con le generazioni, quello potrebbe essere il primo posto in cui lo si vedrebbe.”

Purtroppo per i fisici che cercano di discostarsi dalle previsioni del modello standard, il muone sembra ottenere la sua massa dallo stesso luogo delle particelle tau. Ma per molti versi, la caccia alla nuova fisica di Higgs è solo all’inizio.

A giugno il rapporto 2020 dell’European Strategy Group, un consorzio di fisici delle particelle che si riunisce periodicamente per determinare le priorità di ricerca per l’Europa, ha dichiarato che i suoi obiettivi di massima priorità sono lo studio delle proprietà dell’Higgs. Il rapporto afferma che “il bosone di Higgs è una particella unica che solleva profonde domande sulle leggi fondamentali della natura. E offre anche un potente strumento sperimentale per studiare quelle domande.”

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 6 agosto 2020. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

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