Bosone e campo di Higgs

24/10/2013

Marco Arcani

Reinterpretazione personale di come il campo di Higgs fornisce massa alle particelle.

Il 4 luglio 2012 al CERN di Ginevra è stata dichiarata la scoperta dell'"ultimo" tassello del modello standard delle particelle, il bosone di Higgs.

La materia è composta da particelle, divise in due principali gruppi definiti fermioni e bosoni. I fermioni sono quelli che compongono la materia ordinaria cioè i quark che vanno a formare i nucleoni (protoni e neutroni) e gli elettroni che vi ruotano intorno. Insieme sono i costituenti di tutti gli atomi. Ma per interagire tra di loro e per altri meccanismi come la radioattività, gli atomi hanno bisogno di mediatori, cioè di particelle interagenti che trasportano forze o informazioni: questi sono i bosoni, come ad esempio il fotone che trasporta la forza elettromagnetica tra gli elettroni.

Figura1: Peter Higgs premio Nobel 2013 con François Englert.

Il bosone di Higgs era stato ipotizzato per spiegare come mai la forza debole (quella responsabile dei decadimenti radioattivi) fosse così debole, e per spiegare come mai i fermioni acquisiscono massa. Si pensa quindi che l'interazione tra le particelle e il campo di Higgs (d'ora in poi campo H⁰) produca la "creazione" delle particelle di materia. Tra le letture divulgative in cui mi sono imbattuto e le varie conferenze a cui ho assistito però questo fenomeno non è mai stato esposto in modo molto chiaro. Naturalmente è un processo estremamente complesso e renderlo disponibile al largo pubblico non è semplice nemmeno per i migliori fisici teorici.

Una delle spiegazioni più in voga è quella chiamata "della coppa di champagne" (figura 2): immaginando una sala stracolma di scienziati che festeggiano la scoperta del bosone di Higgs sorseggiando coppe di champagne, si considerino queste persone come H⁰.
Se ora nella stanza entra un fisico sconosciuto, questo attraversa la stanza senza essere notato, così come capita al fotone che non ha massa e quindi si pensa non interagisca con H⁰.
Ma se nella stanza entra Peter Higgs, subito la folla si distribuisce intorno a lui per colloquiare, e quindi esso si muove a fatica perchè interagisce con H⁰ acquisendo massa.

Figura 2: la particella acquisisce massa (vedi ad esempio qui)

Abbastanza chiaro, ma non si capisce cosa entra dalla stanza, ovvero se quel qualcosa che entra ha già una massa oppure no, infatti nel caso dell'esempio, il fisico prima e poi P.H. hanno già una massa prima ancora di entrare.

Ho pensato che per capire meglio l'interazione si deve prendere in considerazione la teoria quantistica dei campi. Per questa teoria una singola particella non è affatto immaginata come una sfera fatta di materia, o meglio la massa della particella non è altro che l'espressione della sua energia e quindi una particella può essere vista come un'eccitazione del suo campo in un punto in cui il valore di energia è quello massimo possibile (equivalenza massa=energia di Einstein).

Per capirci meglio vediamo la figura 3: l'animazione mostra il campo che all'inizio è uniforme e in seguito nel centro acquisisce energia (massa), espressa dal picco di forma pseudo-gaussiana tridimensionale (che tra l'altro è la proiezione di una sfera). L'ultimo frame dell'animazione rappresenta quindi una particella secondo la teoria quantistica dei campi.

Figura 3: una particella secondo la teoria dei campi.

Quindi dimentichiamo per un po' la definizione di particelle puntiformi e ragioniamo solo per campi; ne segue che se immaginiamo l'interazione di una particella con il campo H⁰, questa interazione produce una eccitazione del campo in modo diverso, e questo avviene solo per alcune particelle, per altre no.

Figura 4: un campo di un elettrone interagisce con il campo di Higgs.

Ad esempio nella figura 4 il campo di un elettrone interagisce con il campo H⁰ e ne esce con una certa eccitazione (massa), se fosse il campo di un quark top ne uscirebbe con un valore qualche milione di volte superiore, se invece fosse il campo di un neutrino ne uscirebbe con una minima eccitazione, se ancora fosse il campo di un fotone (figura 5) non ne verrebbe per nulla perturbato ed uscirebbe senza massa.

Figura 5: un campo di un fotone non interagisce con il campo di Higgs.

Spiegazione sufficiente? Forse, rimangono però altri misteri da chiarire: infatti la teoria di Englert e Higgs prevede che lo spazio vuoto sia una specie di mezzo (il campo di higgs prodotto dal bosone omonimo)che pervaderebbe tutto l'universo.

Figura 6: Prof. J. Ellis. (CERN)

Il prof. John Ellis, noto fisico teorico (direi un icona del CERN, figura 6) ha proposto un'analogia con la neve: se immaginiamo l'universo come un "campo innevato", diversi elementi si muovono in mezzo alla neve a fatica o più velocemente a seconda del loro peso o della propria forma, ad esempio uno sciatore rispetto ad una persona a piedi; la neve sarebbe H⁰ e i singoli fiocchi i bosoni di Higgs. Allo stesso modo quindi le particelle si muovono nel campo di Higgs a seconda della propria natura. Cento anni fa ci hanno convinto che l'etere non esiste, ma se pensiamo alla radiazione cosmica di fondo diffusa nello spazio, ai filamenti di materia oscura che sembrerebbero riempire l'universo invisibile e al bosone/campo di Higgs mi viene da pensare che dovremmo riconsiderare il pensiero di Maxwell.

Figura 7: a sinistra l'autore, a destra G. Tonelli.

A parte questo, il prof. Guido Tonelli, responsabile dell'esperimento CMS del CERN fino al 2012, che con Fabiola Gianotti hanno contribuito alla scoperta, ha fatto notare che è stato aperto solo un nuovo spiraglio. Iinfatti scoperto il famigerato bosone bisogna scoprire come mai esso interagisca con alcuni campi ed altri no, e come mai l'eccitazione dei campi prodotta (la massa) delle particelle assume determinati e diversi valori. Ha inizio quindi una nuova sfida nella ricerca sul meccanismo di tali interazioni e per concludere bisogna aggiungere che potrebbero esserci altre sorprese; secondo alcune teorie i bosoni di Higgs potrebbero essere più di uno, come già ipotizzato nel 1964 dallo stesso P.Higgs. In particolare la teoria delle particelle SUSY (supersimmetriche), possibili candidate per la materia oscura, prevederebbe diverse specie di bosoni di Higgs...la caccia continua.