Higgs_Universe

Esiste un solo bosone di Higgs?

Quando i fisici annunciarono la scoperta del bosone di Higgs nel 2012 (post), essi dichiararono che il modello standard delle particelle elementari si poteva considerare completo: in altre parole, era stato trovato finalmente il pezzo mancante del puzzle. Tuttavia, molte domande rimangono ancora senza una risposta e una di queste ha a che fare con il numero di Higgs: abbiamo trovato un solo tipo di bosone di Higgs o ce ne sono altri?

Sappiamo che il meccanismo di Higgs conferisce la massa ad alcune particelle fondamentali ma non ad altre. Ad esempio, esso interagisce fortemente con i bosoni W e Z e li rende alquanto massivi. Ma non c’è alcuna interazione con le particelle leggere che rimangono perciò senza massa. Queste interazioni non influenzano la massa di altre particelle ma quella del bosone di Higgs. In altre parole, Higgs può “fluttuare” per un breve periodo di tempo interagendo con coppie di particelle virtuali. Di solito, gli scienziati calcolano la massa del bosone di Higgs moltiplicando un numero enorme, correlato all’energia massima per cui si applica il modello standard, con un numero che è correlato, a sua volta, a quelle fluttuazioni. Il secondo numero viene determinato a partire dagli effetti che esercitano le fluttuazioni alle particelle mediatrici dell’interazione, come i bosoni W e Z, e sottraendo gli effetti delle fluttuazioni alle particelle di materia come i quark. Mentre il secondo numero non può essere zero poiché Higgs deve avere un certo valore della massa, qualsiasi cosa che viene sommata, persino al livello di numeri molto piccoli, rende la massa di Higgs enorme. Ma non è così perché di fatto la massa di Higgs è pari a 125 GeV e non è di fatti la particella fondamentale più pesante. “Avere un bosone di Higgs a 125 GeV è un po’ come mettere un cubo di ghiaccio in un forno caldo senza che si sciolga” dice Flip Tanedo, un fisico teorico dell’University of California a Irvine. L’esistenza di un Higgs “superleggero”, anche se rende valido ancora il modello standard, non necessariamente fa alcun senso nell’ambito del quadro generale. Se esistono altri bosoni di Higgs, più pesanti di quello che è stato annunciato nel 2012, le equazioni matematiche che determinano le loro masse diventano più flessibili. “Non c’è alcun motivo per scartare a priori l’esistenza di più Higgs”, dice Tim Tait, un fisico teorico all’University of California a Irvine. “Non c’è nulla nella teoria per cui non ci deve essere più di un bosone di Higgs”. Oggi, le due principali teorie che predicono l’esistenza di altri Higgs sono la supersimmetria e la cosiddetta “teoria della composizione”.

Molto popolare nell’ambito della comunità dei fisici delle particelle perchè tenta di assemblare i vari pezzi del modello standard, la supersimmetria predice l’esitenza di una particella partner più pesante, detta “sparticella”, per ciascuna particella elementare nota. Ad esempio, le superparticelle dei quark si chiamano “squark” e per Higgs abbiamo gli “Higgsini”. “Quando le equazioni matematiche vengono riformulate, gli effetti sulla massa di Higgs dovuti alle particelle e delle rispettive superparticelle si cancellano gli uni con gli altri e l’improbabilità che vediamo nel modello standard diminuisce e persino svanisce”, dice Don Lincoln, un fisico del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Il cosiddetto “modello standard minimale supersimmetrico”, cioè il modello supersimmetrico che si allinea molto da vicino con l’attuale modello standard, predice 4 particelle di Higgs rispetto all’Higgsino, la superparticella del bosone di Higgs. Mentre la supersimmetria rimane, forse, la teoria più popolare per esplorare la fisica oltre il modello standard, i fisici che lavorano al Large Hadron Collider (LHC) non hanno ancora osservato alcuna evidenza della sua esistenza. Se la supersimmetria esiste davvero, gli scienziati avranno bisogno di produrre più particelle massive in modo da rivelarla. “Gli scienziati che lavorano al CERN hanno iniziato a cercare evidenze dell’esistenza di superparticelle cinque anni fa”, dice Tanedo. “Ma non sappiamo in realtà se essi la troveranno prima o poi: a 10 TeV? A 100 TeV?

La figura illustra, a sinistra, l’ipotesi del bosone di Higgs secondo la supersimmetria e, a destra, secondo la teoria della composizione. Credit: Sandbox Studio, Chicago with Kimberly Boustead

L’altra teoria popolare che va di moda tra i fisici e che predice l’esistenza di più Higgs è chiamata “teoria della composizione”. Essa propone che il bosone di Higgs non sia una particella fondamentale bensì consista di particelle più piccole che non sono state ancora osservate. “Si può pensare a questa teoria come alla struttura dell’atomo”, dice Bogdan Dobrescu, un fisico teorico al Fermilab. “Man mano che si esplora l’atomo sempre più da vicino, incontriamo i suoi costituenti, cioè protoni e neutroni. Ma se guardiamo ancora più in profondità, scopriamo che protoni e neutroni sono fatti di quark-up e quark-down”. La teoria della composizione di Higgs predice che se esistono costituenti più fondamentali che compongono il bosone di Higgs, esso potrebbe assumere una combinazione delle masse basata sulle proprietà di queste particelle più piccole. La ricerca di bosoni di Higgs compositi è stata limitata dalla scala delle energie a cui gli scienziati possono accedere attualmente con gli esperimenti di LHC.

I fisici continueranno la loro ricerca sull’esistenza di eventuali bosoni di Higgs con l’attuale Run 2 di LHC. Grazie ad un livello energia di collisione incrementato a 13 TeV, il grande collisore adronico sarà in grado di produrre frequentemente più bosoni di Higgs, non solo ma produrrà anche più quark-top, la particella più pesante del modello standard. I quark-top interagiscono a valori più alti di energia con il bosone di Higgs, il che li rende una sorta di posto ideale dove cercare segni di una “nuova” fisica. Se gli scienziati troveranno evidenze della supersimmetria o della teoria della composizione di Higgs, allora una tale scoperta significherebbe molto più che trovare un altro bosone di Higgs. “Ad esempio, scoprire nuovi bosoni di Higgs potrebbe influenzare la nostra comprensione di come le forze fondamentali si unificano a energie più elevate. La supersimmetria aprirebbe così un intero ‘super mondo’ tutto da scoprire. E un Higgs composito potrebbe puntare a nuove regole al livello fondamentale oltre ciò che siamo in grado di comprendere oggi. Avremmo nuovi pezzi di un puzzle sempre più grande da comporre”, conclude Tait.

Symmetry Magazine: One Higgs is the loneliest number