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.

Pubblicità

Come ti peso le particelle nell’Universo primordiale

Secondo alcuni modelli l’energia scura, quell’enigmatica componente responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo, è un campo scalare che evolve su tempi scala cosmologici. Ciò vuol dire che alcune quantità fondamentali correlate alle forze e alle masse dovevano essere diverse molto tempo fa. Tuttavia, una nuova analisi dello spettro di un quasar molto distante non trova evidenze di deviazioni nelle righe molecolari prodotte 12 miliardi di anni fa, il che implica che non c’è stato alcun cambiamento nel rapporto tra la massa del protone e quella dell’elettrone, con una precisione di una parte su un milione.

Tutti a caccia di Higgs!

Gli scienziati della New York University e i loro colleghi hanno lanciato il progetto Higgs Hunters che permetterà ai membri del grande pubblico di analizzare le immagini registrate al Large Hadron Collider e di aiutare i fisici nella ricerca di quelle particelle che non sono state ancora osservate.

Ancora domande aperte sul quark-top

In un post dello scorso mese di Febbraio, ho pubblicato la notizia relativa ad un metodo trovato dai fisici che lavorano agli esperimenti CDF e DZero presso il Fermi National Accelerator Laboratory che ha permesso di produrre un quark-top attraverso l’interazione debole. Oggi, dopo quasi 20 anni dalla sua scoperta, avvenuta proprio al Fermilab nel 1995, gli scienziati sono ancora interessati alla particella più pesante del modello standard.

Il destino dell’Universo è davvero legato al bosone di Higgs?

La risposta è: no! Il bosone di Higgs non è ‘pericoloso’ e non distruggerà l’Universo. Per fare meglio il punto su quanto riportato dai vari media in questi giorni, cominciamo con il dire che il bosone di Higgs è un tipo di particella, una minuscola fluttuazione di un campo scalare complesso detto campo di Higgs. Questa particella alquanto “modesta”, se si è fortunati a crearne una (ricordiamo che LHC ne produce una su un trilione di collisioni protone-protone) ha una vita molto breve perché si disintegra trasformandosi in altre particelle in una piccolissima frazione di secondo, meno del tempo che impiega la luce per andare da una “estremità all’altra di un atomo”. Se qualcuno la pensa diversamente è perché ha letto probabilmente le recenti dichiarazioni di Stephen Hawking in occasione dell’uscita del suo libro Starmus – 50 Years of Man in Space (post).

I dati di CMS suggeriscono un Higgs alquanto ‘standard’

La figura illustra la compatibilità dell’accoppiamento del bosone di Higgs con i bosoni (V) ed i fermioni (f) secondo le previsioni del modello standard (<>). Le regioni permesse si sovrappongono in un’area più piccola (grigio) che è alquanto consistente con il modello standard.

Dalla scoperta della particella che tanto assomiglia al bosone di Higgs, i fisici che lavorano agli esperimenti ATLAS e CMS presso LHC hanno unito gli sforzi per tentare di misurare le proprietà di questa particella. Secondo il modello standard delle particelle, il bosone di Higgs è associato al campo di Higgs che permea tutto lo spazio e conferisce massa alle particelle attraverso il meccanismo di  Brout-Englert-Higgs. Questi risultati hanno segnato un punto di svolta nella ricerca della fisica fondamentale e hanno valso a Peter Higgs e  François Englert il Premio Nobel per la Fisica 2013. Ma rimane ancora una domanda aperta: stiamo parlando di una particella del modello standard oppure di un’altra? Forse, si tratta di uno dei tanti bosoni di Higgs che attendono di essere trovati. Una parte di questi risultati sono stati presentati dal gruppo CMS alla 37° International Conference on High Energy Physics e si basano sui dati del Run 1 realizzati con una energia di collisione al centro di massa di 7-8 TeV.

CMS: CMS closes major chapter of Higgs measurements

Referenze:

• The CMS Collaboration, “Observation of the diphoton decay of the Higgs boson and measurement of its properties”,arXiv:1407.0558, submitted to Eur. Phys. J. C.
• CMS Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a W or a Z boson and decaying to bottom quarks”, Phys. Rev. D 89 (2014) 012003, doi:10.1103/PhysRevD.89.012003.
• CMS Collaboration, “Measurement of Higgs boson production and properties in the WW decay channel with leptonic final states”, JHEP 01 (2014) 096, doi:10.1007/JHEP01(2014)096.
• CMS Collaboration, “Measurement of the properties of a Higgs boson in the four-lepton final state”, Phys. Rev. D 89 (2014) 092007, doi:10.1103/PhysRevD.89.092007.
• CMS Collaboration, “Evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons”, JHEP 05 (2014) 104,doi:10.1007/JHEP05(2014)104.
• The CMS Collaboration, “Precise determination of the mass of the Higgs boson and studies of the compatibility of its couplings with the Standard Model”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-009,http://cds.cern.ch/record/1728249
• The CMS Collaboration, “Constraints on Anomalous HWW Interactions using Higgs boson decays to W+W- in the fully leptonic final state”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-012, http://cds.cern.ch/record/1728250
• The CMS Collaboration, “Constraints on anomalous HVV interactions using H to 4l decays”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-014, http://cds.cern.ch/record/1728251
• The CMS Collaboration, “Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions”, Nature Physics advance online publication (2014), doi:10.1038/nphys3005.

On Tuesday 8 July at 17:00 CEST, join physicists live from the conference in a Hangout with CERN and ask your questions about Higgs bosons and more.

Evidenza del Big Fix?

Ci sono ancora molte domande aperte a cui il modello standard non è in grado di rispondere. Una di queste riguarda il valore di aspettazione minimo del campo di Higgs nel vuoto rispetto alla scala di Planck. In un recente lavoro pubblicato su International Journal of Modern Physics A, tre fisici dell’Università di Kyoto in Giappone, considerano che la radiazione dello spazio sia funzione del valore di aspettazione di Higgs nel vuoto e mostrano come essa raggiunge un valore massimo attorno al valore osservato di 246 GeV. In altre parole, l’esistenza dei nuclei atomici gioca un ruolo cruciale nel massimizzare la radiazione tale che l’entropia totale relativa alle ultime fasi evolutive dell’Universo raggiunga un valore massimo (vedasi L’Universo si ‘consuma’ ad un ritmo elevato). Questa conclusione suggerisce l’evidenza del cosiddetto “Big Fix” secondo cui i parametri del modello standard sono fissati quasi in maniera naturale e in modo che la radiazione dell’Universo diventi massima.

International Journal of Modern Physics: Evidence of the big fix

arXiv: Evidence of the Big Fix

L’Universo non sarebbe dovuto esistere per più di un secondo

E’ quanto emerge da un recente studio condotto da un gruppo di cosmologi britannici. Questa conclusione sorprendente è il risultato dell’analisi dei recenti dati dell’esperimento BICEP2 con quelli associati alla scoperta della particella di Higgs. Robert Hogan del King’s College London (KCL) presenterà oggi la sua ricerca in occasione della Royal Astronomical Society’s National Astronomy Meeting in Portsmouth.

Higgs o non Higgs, questo è il problema!

L’immagine mostra la simulazione al rivelatore ATLAS relativa al decadimento di un bosone di Higgs che determina la produzione di due raggi-gamma.
Credit: CERN/LHC

Il prossimo 4 luglio il CERN organizzerà a Ginevra un seminario allo scopo di annunciare gli ultimi risultati dei due più importanti esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), ATLAS e CMS, in merito alla ricerca del bosone di Higgs. I fisici saranno dunque in attesa di capire che cosa è stato effettivamente osservato [LIVE WEBCAST].

“Non sappiamo ancora cosa accadrà mercoledì 4 luglio”, afferma Ian Hinchliffe, un fisico teorico della Divisione di Fisica presso il Dipartimento di Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory a capo del gruppo dei fisici americani nell’ambito della partecipazione all’esperimento ATLAS. “Credo che si tratti di un momento molto importante al CERN e, forse, siamo arrivati ad un primo traguardo dopo tanti anni di intenso lavoro”. Lo scorso Dicembre, entrambi i rivelatori riportarono due segnali, con un leggero eccesso rispetto al rumore di fondo, consistenti con quanto ci si aspetta per il bosone di Higgs. Nella primavera di quest’anno, gli esperimenti di LHC sono ripartiti con un livello di energia più alto e i dati sono raddoppiati. Tuttavia, anche se entrambi gli esperimenti dovessero confermare ciò che hanno rivelato lo scorso anno con i nuovi dati, nessuno è certo di affermare che si tratti in definitiva del bosone di Higgs. Ma alcuni scienziati si pongono nuove domande sulle implicazioni che la scoperta o meno del bosone di Higgs possa avere, oltre a spiegare l’origine della massa delle particelle, per risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: l’inflazione cosmica. I cosmologi ritengono che la particella o il campo di forze che si cela dietro l’inflazione, l’inflatone, abbia una proprietà alquanto insolita: esso genera un campo gravitazionale repulsivo. Per far sì che lo spazio aumenti il proprio volume in un intervallo di tempo molto piccolo, i teorici ipotizzano che l’energia del campo deve essersi modificata attraverso lo spazio nel corso tempo, cioè da un valore elevato ad un valore più basso quando alla fine del processo l’espansione inflazionistica è terminata. Ora, il punto è che non sappiamo ancora molto sull’inflazione e alcuni critici si domandano se effettivamente sia avvenuta. Per discriminare tra vari scenari, i cosmologi hanno cominciato ad analizzare i dati della radiazione cosmica di fondo che, però, non ci permettono di avere indizi definitivi sulla natura stessa dell’inflazione cosmica. Altri teorici, invece, ritengono che LHC potrebbe essere la chiave di svolta per capire se il periodo della rapida espansione esponenziale dello spazio sia effettivamente avvenuto, anche se alcuni scettici sono convinti che ciò non sarà possibile in quanto le energie in gioco per poter “verificare” l’inflazione sono dell’ordine di 10⁵⁰ volte superiori a quelle di LHC. Ma dato che l’intensità del campo inflatone si è modificata diminuendo nel corso del tempo, gli scienziati ritengono che LHC abbia comunque quell’energia necessaria per riprodurre i momenti finali dell’epoca inflazionistica. “L’idea che il bosone di Higgs possa guidare l’inflazione è possibile solo se la sua massa cade all’interno di un determinato intervallo di valori che sono osservabili da LHC”, spiega Mikhail Shaposhnikov della École Polytechnique Fédérale di Lausanne in Svizzera. Inoltre, c’è da dire che non solo il campo inflatone ma anche il campo di Higgs si è modificato nel tempo. Ora, l’inventore, per così dire, della teoria inflazionistica, Alan Guth, ha assunto originariamente che l’inflazione fosse guidata da un campo di Higgs che emerge nell’ambito di una teoria di grande unificazione. La parte interessante dei modelli inflazionistici che si basano sul campo di Higgs è che tali modelli potrebbero spiegare l’inflazione proprio nell’ambito del modello standard delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Tuttavia, quando si prendono in considerazione questi modelli, l’energia del campo di Higgs decresce troppo rapidamente e perciò non è in grado di generare quelle fluttuazioni che sono osservate nella radiazione cosmica di fondo. Dunque, occorre ammettere l’esistenza di altri campi per tener conto di tutti gli effetti dovuti all’inflazione. Ad esempio, un modello inflazionistico di Higgs proposto da Shaposhnikov e Fedor Bezrukov dell’University of Connecticut elimina il problema di introdurre campi di forze extra e suggerische che Higgs interagisce con la gravità in maniera diversa rispetto alle altre particelle. Ciò permetterebbe al campo di Higgs di mantenere la sua energia più a lungo in modo da determinare l’Universo che osserviamo oggi. Anupam Mazumdar della Lancaster University in Inghilterra suggerisce, invece, che altre particelle potenzialmente rivelate da LHC potrebbero fornirci nuovi indizi sull’inflazione. Questi modelli alternativi si basano sulla supersimmetria, la teoria che correla i due tipi fondamentali di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. La rivelazione da parte di LHC delle cosiddette “s-particelle” sarebbe un passo importante per la soluzione di un altro grande enigma della cosmologia legato alla materia scura di cui il neutralino, un tipo di s-particella, potrebbe essere un buon candidato. Secondo Mazumdar, se l’inflatone è una s-particella allora l’energia del campo inflatone deve essere terminata con un valore basso di densità di energia potenzialmente rivelabile da LHC; nel caso contrario, l’inflatone può aver generato un rapporto di densità di materia normale su materia scura più basso rispetto a quello che osserviamo oggi nell’Universo. “In definitiva, se LHC rivelerà il bosone di Higgs e nient’altro, per me l’inflazione può essere spiegata in termini del campo di Higgs”, afferma Shaposhnikov. “Se poi LHC rivelerà le particelle supersimmetriche o un nuovo fenomeno fisico, secondo me il modello non sarà poi così attraente. Vedremo cosa accadrà dopo il seminario del 4 luglio!”. Ad ogni modo, Guth crede che molto probabilmente l’energia del campo inflatone vada ben al di là di quelle che sono le capacità di LHC. “Anche se non lo sappiamo, rimane tuttavia molto eccitante il fatto che LHC possa rivelare quei campi di forze che hanno causato l’inflazione” dichiara Guth.

Certo è che qualsiasi notizia arrivi dal CERN il prossimo 4 luglio, gli indizi e le indicazioni finora ottenuti sono proprio all’inizio della ricerca del bosone di Higgs. Si tratta di un lungo viaggio di scoperte verso una fisica ancora inesplorata nell’ambito della supersimmetria, della materia scura, dei mini buchi neri, delle dimensioni extra dello spazio e di altri fenomeni di cui ignoriamo totalmente la loro origine e natura [LIVE WEBCAST].

Per approfondire questo ed altri argomenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso