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Dov’è ‘nascosta’ la forza di Higgs?

Nel 2012, il bosone di Higgs è diventato ufficialmente un membro della famiglia di particelle elementari (post). I bosoni sono quelle particelle che trasportano le interazioni fondamentali. Queste forze attraggono e respingono ciò che sarebbe altrimenti stata una sorta di “zuppa di particelle” in un bellissimo mosaico di stelle e galassie che popolano l’Universo osservabile.

Il bosone di Higgs non è abbastanza ‘in sintonia’ con le altre particelle del modello standard della fisica delle particelle. Credit: Symmetry Magazine

Le forze fondamentali mantengono i protoni incredibilmente stabili (la forza forte che li tiene uniti), causano alla punta dell’ago magnetico di puntare il Polo Nord (la forza elettromagnetica che attrae l’ago), fanno cadere le mele dagli alberi (la forza di gravità che attira al suolo la frutta) e fanno sì che la nostra stella possa brillare per miliardi di anni (la forza debole che permette la fusione nucleare). La particella di Higgs è chiamata bosone a causa di una proprietà quanto meccanica chiamata spin, che rappresenta il momento angolare intrinseco di una particella e caratterizza il suo comportamento con le altre particelle note del modello standard. I bosoni hanno spin intero (0,1,2) e non hanno bisogno di uno spazio “personale”. I fermioni, invece, hanno spin semi-intero (1/2, 3/2, etc.) il che li rende un pò più isolati, cioè le particelle preferiscono mantenere una certa distanza dalle altre. Il bosone di Higgs ha spin nullo, il che lo rende ufficialmente un bosone. “Ciascun bosone è associato con una delle quattro interazioni fondamentali”, dice Kyle Cranmer della New York University. “Perciò, se scopriremo un nuovo bosone sembra naturale concludere che dovremmo trovare una nuova forza”. Gli scienziati ritengono che possa esistere una “forza di Higgs”. Ma è la relazione del bosone di Higgs con quella forza che rende in qualche modo la particella di Higgs una sorta di “pecora nera”. In altre parole, è la ragione per cui quando Higgs viene aggiunto al modello standard viene spesso tenuto a parte dal resto della famiglia dei bosoni.

La figura illustra le particelle note e le relative interazioni (linee). Il campo di Higgs non-nullo (in verde) rende massive le particelle e sia il campo di Higgs che la particella di Higgs hanno delle interazioni più forti con le particelle più pesanti. Credit: M. Strassler/Of Particular Significance

Il bosone di Higgs rappresenta un’eccitazione del campo di Higgs che interagendo con una particella fondamentale le conferisce massa. “Il modo con cui Higgs dà la massa alle particelle è di per sé una caratteristica unica, differente da tutti gli altri campi noti”, dice il teorico Matthew Strassler della Harvard University. “Quando si ‘accende’ il campo di Higgs, esso modifica l’ambiente di tutte le particelle, cambiando la natura dello stesso spazio vuoto. Il modo con cui le particelle interagiscono con questo campo si basa sulle loro proprietà intrinseche”. Per generare una forza, un campo deve avere tre “qualità”: 1) deve essere in grado di “accendersi” e “spegnersi”; 2) deve avere una direzione privilegiata; 3) e deve essere in grado di attrarre o di respingere.

Se il campo di Higgs fosse nullo, la materia, le interazioni e le particelle mediatrici si riorganizzerebbero in altro modo. Nessuna delle particelle note sarebbe massiva, anche se le particelle di Higgs (di cui ce ne sarebbero almeno 4 in teoria) sarebbero invece massive. Credit: M. Strassler/Of Particular Significance

Di solito, il campo di Higgs non possiede i primi due, è sempre “acceso” e non ha una direzione privilegiata. Ma in presenza di un bosone di Higgs, il campo viene in qualche modo distorto, il che gli permette teoricamente di generare una forza. “Crediamo che due particelle possano attrarsi attraverso il campo di Higgs”, dice Strassler. “La stessa equazione che abbiamo utilizzato per predire l’esistenza della particella di Higgs, e come essa dovrebbe decadere in altre particelle, predice inoltre che questa forza debba esistere”. Il fatto poi di capire quale ruolo questa “forza di Higgs” giochi nell’ambito della nostra comprensione dell’Universo rimane ancora un mistero. “Sappiamo che il campo di Higgs è essenziale nella formazione della materia stabile”, continua Strassler. “Ma la forza di Higgs non lo è, almeno per quanto ne sappiamo finora. La forza di Higgs potrebbe essere importante in altre situazioni. Potrebbe essere correlata alla quantità di materia scura o all’asimmetria materia-antimateria. È ancora presto per saperlo”. Durante il Run 2 di LHC, i fisici si aspettano una produzione di particelle di Higgs circa 10 volte superiore rispetto al Run 1. Ciò permetterà agli scienziati di esaminare ancora più in dettaglio le proprietà di questo bosone.

Symmetry Magazine: Where the Higgs belongs
Of Particular Significance: If The Higgs Field Were Zero
Amazon: Higgs Force: The Symmetry-Breaking Force that Makes the World an Interesting Place
Quantum Wave Publishing: Higgs Force - Cosmic Symmetry Shattered