Credito:CERN
Nel 1975, tre teorici del CERN, John Ellis, Mary K. Gaillard e Dimitri Nanopoulos, intrapresero il primo studio completo della fenomenologia del collisore del bosone di Higgs. Quasi 40 anni dopo, fu scoperto all'LHC. Ora, a dieci anni di distanza, potremmo avere una tale lungimiranza a lungo termine nell'anticipare i vari percorsi che la futura ricerca di Higgs potrebbe seguire?
Il 4 luglio 2022, godendomi le tante belle presentazioni al simposio Higgs@10, una frase continuava a risuonarmi nelle orecchie:"Compatibile con le previsioni del modello standard (SM)". I campanelli d'allarme suonavano. Davvero? Siamo sicuri? Se Higgs sia o meno simile all'SM è una domanda che modellerà il futuro sperimentale della ricerca di Higgs.
Possiamo quantificare una risposta attraverso il linguaggio della teoria dei campi efficace, che è una manifestazione matematica dell'idea che il modo più efficace per descrivere un oggetto dipende dalla scala di lunghezza da cui lo stai visualizzando. Per gli astronauti, la Terra è descritta in modo molto efficace come una sfera liscia. Per gli studenti estivi che fanno un'escursione a Le Reculet, non lo è. Così anche del mondo quantistico. Lungi dall'essere un atomo neutro, appare effettivamente come una particella puntiforme con alcune interazioni multipolari residue con i fotoni. A distanze più brevi, entrando tra gli elettroni, questa descrizione fallisce del tutto.
Idem l'Higgs. Qualunque cosa stia succedendo lì dentro, a energie abbastanza vicine a mh, è effettivamente descritta come una particella puntiforme con una manciata di "operatori" aggiuntivi, che sono essenzialmente nuove interazioni di particelle che non sono contenute nell'SM (non sono presenti su quella tazza o maglietta) ma coinvolgono particelle SM. A occhio, l'astronauta potrebbe essere in grado di distinguere alcune caratteristiche sulla Terra e supporre che potrebbero esserci montagne, ma non potrebbe effettivamente stimare il dislivello degli studenti. Allo stesso modo, gli operatori di Higgs non SM possono catturare gli effetti residui a lunga distanza delle microscopiche viscere dell'Higgs, ma non rivelare la loro piena gloria in dettaglio. Se tutti questi operatori extra scompaiono, l'Higgs è simile a SM. Prendiamo in considerazione due esempi selezionati con cura e indaghiamo su quanto sia simile all'SM l'Higgs...
Quanto è "sfocato"? È puntiforme fino alle scale di distanza più piccole o è, come il pione, costituito da altre nuove particelle non ancora identificate? In quest'ultimo caso, proprio come per i pioni e i loro quark e gluoni costituenti, osservare direttamente la nuova sostanza richiederebbe il passaggio a energie più elevate. In alternativa, potrebbe essere puntiforme, ma sondarlo da vicino potrebbe rivelare gli indizi rivelatori di una nuvola di nuove particelle con cui interagisce. Per il tuo interesse, l'operatore in grado di acquisire queste proprietà è scritto (∂μ|H|2)2. Se svanisce, l'Higgs è del tutto puntiforme. In caso contrario, è più sfocato del previsto. Quanto è sfocato? Le attuali misurazioni dell'accoppiamento di LHC Higgs suggeriscono che è effettivamente puntiforme fino a una scala di lunghezza di appena un fattore tre al di sotto della scala elettrodebole. Potrebbe essere ancora molto sfocato davvero! Confuso come un pione. Se è così, difficilmente un Higgs simile a SM! Dobbiamo fare di meglio e, attraverso misurazioni di accoppiamento molto più precise al livello dello 0,2%, una futura fabbrica di Higgs come la FCC-ee potrebbe determinare se l'Higgs è puntiforme fino al livello del 6%.
L'Higgs si trova attraente? Sì, secondo il SM. Nuove particelle significano nuove forze e quindi ne consegue che se il bosone di Higgs interagisce con nuove particelle pesanti genereranno una nuova forza tra l'Higgs e se stesso. L'operatore che effettivamente cattura questo è |H|6 e modella letteralmente il modo in cui il campo di Higgs ha dato massa alle particelle durante la nascita stessa del nostro universo! Quindi, quanto è simile all'SM l'attrazione personale di Higgs? Con gli attuali vincoli sperimentali, sappiamo che l'autoattrazione di Higgs potrebbe essere del 530% più forte del valore SM (non semplicemente autoattrazione, più come pura vanità) o addirittura -140% in meno (auto-ripugnante, più simile). Difficilmente da SM in entrambi i casi! Per avere un'idea del fatto che l'autoattrazione sia simile all'SM, dobbiamo fare molto meglio. Una struttura futura, come FCC-hh, CLIC o un collisore di muoni, potrebbe sondare l'autoattrazione a un livello molto più preciso del 5%.
La pazienza è una virtù; il compiacimento non lo è. È troppo presto per chiamare l'ora al bar per il bosone di Higgs. Chissà, potremmo persino essere serviti con qualcosa di completamente inaspettato, come una nuova finestra sul settore oscuro dell'universo. Esplorare veramente tutte le sfaccettature della natura del bosone di Higgs, capire se è simile all'SM o meno, richiederà tempo (misurato in decenni) e molto duro lavoro. Ma si può e si deve fare. Questo è il futuro sperimentale della ricerca di Higgs che attendiamo con impazienza.
Detto questo, non è un segreto che molti teorici si aspettassero che Higgs fosse molto meno simile all'SM di quanto sembri già. Teste debitamente graffiate, un colpo di stato teorico è ora in corso silenziosamente. C'erano buone ragioni per aspettarsi qualcosa di diverso:principalmente il problema della gerarchia. Questo problema non è semplicemente estetico. L'SM si rompe ad alte energie, facendo in definitiva previsioni patologiche, quindi può essere solo una descrizione efficace della teoria del campo a lunga distanza di qualcos'altro di più fondamentale. Se, come nel caso dei pioni, la massa di Higgs è determinata dai parametri più fondamentali, allora per l'Higgs non esiste alcun meccanismo per mantenerlo più leggero della scala di massa delle nuove particelle in quella teoria. Eppure i collisori ci dicono che c'è un divario tra la massa di Higgs e quella di quelle nuove particelle. In passato, questo ha motivato la scoperta e lo sviluppo di nuovi meccanismi per spiegare un Higgs leggero, come la venerata supersimmetria a bassa scala, finora assente al party di fisica di LHC, con il suo Higgs non simile a SM.
Bruscamente svegliati dal diluvio di complotti di esclusione, l'odore di caffè con riluttanza, i teorici, negli ultimi anni, hanno proposto quelli che potrebbero benissimo rivelarsi sviluppi teorici rivoluzionari. Il problema della gerarchia non è scomparso e nemmeno i dati, quindi gli altri presupposti fondamentali iniettati di nascosto nelle vecchie teorie, spesso legati alla simmetria oa principi estetici come semplicità o minimalità, sono stati interrogati e trovati carenti. In risposta, sono state sviluppate nuove intrepide classi di teorie che possono affrontare il problema della gerarchia pur essendo coerenti con tutti quei fastidiosi complotti di esclusione. Si va da modifiche concettuali relativamente modeste delle strutture esistenti, all'abbandono dei principi estetici, e poi completamente fuori dall'altra parte ai tentativi di collegare la massa di Higgs alle origini dell'universo, alla cosmologia, alla natura del Big Bang e , all'estremo, speculazioni su possibili legami tra la massa di Higgs e l'esistenza stessa della vita. Lo chiami, stiamo andando audacemente.
Non è un fatto compiuto. Nessuna di queste idee è inebriante come la supersimmetria o stupefacente come le dimensioni extra, ognuna delle quali lascia a coloro che le studiano una sensazione più di "osservare questo spazio" rispetto all'"eureka" di cui godeva Archimede. Diversamente, non sono abbastanza radicali, troppo radicali o semplicemente non hanno un sapore. Nessun momento Goldilocks ancora. Tuttavia, a mio avviso, questi problemi sono motivo di speranza. In momenti simili in passato, siamo stati sostanzialmente sulla strada giusta, dovendo aspettare un po' più del previsto per la conferma dei dati sperimentali (quark top). Altre volte, le idee giuste sono state troppo radicali per essere digerite dalla maggior parte in una sola seduta (meccanica quantistica). Eppure per altri gli approcci corretti sono rimasti troppo a lungo in una relativa oscurità, semplicemente per non essere à la mode (teoria quantistica dei campi). Cerca i registri delle citazioni dei documenti originali di Brout-Englert, Higgs, Guralnik-Hagen-Kibble o "Un modello di leptoni" di Weinberg, tutti fondamentali per la fisica del bosone di Higgs, e vedrai che sono casi importanti che faremmo bene a ricordare. La natura non ha promesso che comprendere le origini dell'Higgs sarebbe stato facile, né dovrebbe esserlo in futuro, ma la storia insegna che coloro che esplorano senza sosta e senza paura sono spesso quelli premiati con il premio più grande di tutti:la verità.
Dove andrà a finire tutto questo nei prossimi anni? Saremo abbastanza tenaci da costruire l'acceleratore, i rivelatori e il villaggio necessari per misurare l'autoattrazione di Higgs o scoprire la sfocatura dell'Higgs? Riusciranno alcuni coraggiosi teorici ad aprire la porta alla teoria fondamentale oltre il SM? Riusciranno i futuri fenomenologi a porre le prime pietre miliari sulla strada per scoprirlo?
Come disse Dennis Gabor, l'inventore dell'olografia:"Il futuro non può essere previsto, ma il futuro può essere inventato". Ci stiamo lavorando. + Esplora ulteriormente
