Peter Higgs è morto a 94 anni. Cos’è il bosone di Higgs?
Il Professor Peter Higgs, vincitore del Premio Nobel, è venuto a mancare all’età di 94 anni. Sebbene Higgs abbia apportato numerosi contributi alla fisica, il suo nome rimarrà per sempre legato alla particella da lui prevista. La sua dimostrazione teorica dell’esistenza di tale particella ha risolto molteplici problemi in fisica, innescando una ricerca durata quasi 50 anni. Questa ricerca è stata uno dei principali motivi alla base della costruzione del Large Hadron Collider, uno degli strumenti scientifici più grandi e costosi della storia. Ma cos’è il bosone di Higgs e perché il mondo ha compiuto sforzi così imponenti per trovarlo?
Nella metà del XX secolo, divenne evidente che i modelli dell’universo, ritenuti quasi completi 50 anni prima, non erano in grado di spiegare nemmeno perché le particelle hanno massa, una questione fondamentale, data la sua importanza in tutto. All’incirca nello stesso periodo, diversi scienziati sostennero che doveva esistere una particella ancora non scoperta, responsabile del conferimento della massa a molte altre particelle. Questo era particolarmente importante per i bosoni W e Z, che erano stati recentemente proposti per mediare la forza debole e che furono confermati un decennio dopo. Tale particella sarebbe stata l’ultimo elemento mancante nel Modello Standard della Fisica delle Particelle.
Sebbene Higgs fosse solo uno degli scienziati che raggiunsero questa conclusione, il suo contributo fu ritenuto sufficiente affinché fosse il suo nome ad essere attribuito alla particella mancante, molto tempo prima che fosse trovata.
La massa sembra una caratteristica così intrinseca che i non fisici faticano a immaginare perché abbiamo bisogno di una particella per fornirla. Il bosone di Higgs si è rivelato così difficile da trovare perché collassa in meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo; la questione si estende a come una particella così effimera possa svolgere questa funzione. Tuttavia, i modelli dell’universo richiedono che particelle come i quark fossero originariamente prive di massa e che ciò sia cambiato nel primo secondo dopo il Big Bang. Higgs propose che queste particelle avessero acquisito la loro massa dall’interazione con un campo, che in seguito fu anch’esso denominato in suo onore. Proprio come altri campi scoperti all’epoca richiedevano particelle per trasportarli, il campo di Higgs necessitava di una particella che rappresentasse lo stato eccitato del campo. Higgs e altri delinearono le sue proprietà, come la mancanza di spin o carica elettrica, ma la sua stessa massa poteva essere trovata solo sperimentalmente.
Ciò diede il via alla grande ricerca. Inizialmente, gli scienziati volevano confermare l’esistenza del bosone di Higgs e, quindi, del campo che trasporta. Verso la fine, pochi dubitavano che il campo e la particella fossero reali. Invece, trovare il bosone di Higgs era l’unico modo per misurarne con precisione le proprietà. La massa della particella di Higgs si propaga attraverso l’universo e determinarla ha reso possibile definire molti altri aspetti del Modello Standard, che fino ad allora erano stati vaghi.
Nel 2012, è stato scoperto che la massa del bosone di Higgs era di 125 miliardi di elettronvolt/c^2, in linea con le previsioni (la massa essendo equivalente all’energia divisa per la velocità della luce al quadrato secondo le famose equazioni di Einstein, le masse delle particelle sono riportate in unità di energia).
La vita incredibilmente breve del bosone di Higgs significa che non lo osserviamo mai direttamente. Invece, decade in una varietà sconcertante di particelle più longeve, tra cui due bosoni W e due Z, che i team del Large Hadron Collider sono riusciti ad osservare, insieme a fotoni, un quark tau e bottom e le rispettive antiparticelle. Sommando questi insieme, è stato possibile ricostruire la massa di Higgs.
Conferendo massa ai bosoni W e Z, il campo di Higgs limita la loro capacità di viaggiare lontano, un passo fondamentale per far sì che il Modello Standard si allinei con le osservazioni. Il Higgs lo fa in modo ampio, sebbene ci siano indizi di ulteriori particelle in agguato.
Il bosone di Higgs, e quindi lo stesso Higgs, ha raggiunto la fama ben oltre la comunità fisica in parte a causa del soprannome “particella di Dio”, che ha portato all’impressione di una sorta di status dominante. Tuttavia, mentre il bosone di Higgs è fondamentale per la nostra comprensione del funzionamento dell’universo, molte altre particelle elementari sono altrettanto essenziali. Queste, tuttavia, si sono rivelate molto più facili da trovare. L’elusività di Higgs ha ispirato il soprannome “particella maledetta”, che gli editori hanno scelto di abbreviare. La nuova versione era impopolare tra i fisici, ma ha contribuito a stimolare l’interesse del pubblico nella ricerca di qualcosa la cui importanza era così difficile da spiegare.
Il fatto che il campo di Higgs permei l’universo ha contribuito all’impressione pubblica di un’associazione con la religione. Il Modello Standard si basa su molti altri campi, ma tutti gli altri hanno valori medi pari a zero, ottenendo un valore diverso da zero solo in punti particolari, ad esempio intorno a una particella carica. Il campo di Higgs, d’altra parte, ha un’aspettativa di un valore diverso da zero, con una certa forza in ogni punto dello spazio.
La fama del bosone di Higgs ha portato alla convinzione tra i non scienziati che sia responsabile di tutta la massa nell’universo. Questo non è vero. Anche lasciando da parte la questione irrisolta della natura della materia oscura, la maggior parte della massa in un protone o neutrone proviene dall’energia di legame che lo tiene insieme, piuttosto che dai quark che ottengono la loro massa dal campo di Higgs.