Dieci anni fa questa settimana, due collaborazioni internazionali di gruppi di scienziati, tra cui un grande contingente del Caltech, hanno confermato di aver trovato prove conclusive per il bosone di Higgs, una particella elementare sfuggente, prevista per la prima volta in una serie di articoli pubblicati a metà 1960, si pensa che doti di massa le particelle elementari.

Cinquant'anni prima, mentre i fisici teorici cercavano di comprendere la cosiddetta teoria elettrodebole, che descrive sia l'elettromagnetismo che la forza nucleare debole (coinvolta nel decadimento radioattivo), divenne evidente a Peter Higgs, che lavorava nel Regno Unito, e indipendentemente a François Englert e Robert Brout, in Belgio, così come il fisico statunitense Gerald Guralnik e altri, che un campo precedentemente non identificato che riempiva l'universo era necessario per spiegare il comportamento delle particelle elementari che compongono la materia. Questo campo, il campo di Higgs, porterebbe a una particella con spin zero, massa significativa e avrebbe la capacità di rompere spontaneamente la simmetria dell'universo primordiale, permettendo all'universo di materializzarsi. Quella particella divenne nota come il bosone di Higgs.

Nei decenni successivi, i fisici sperimentali hanno prima ideato e poi sviluppato gli strumenti ei metodi necessari per rilevare il bosone di Higgs. Il più ambizioso di questi progetti è stato il Large Hadron Collider (LHC), gestito dall'Organizzazione europea per la ricerca nucleare o CERN. Dalla pianificazione dell'LHC alla fine degli anni '80, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la National Science Foundation hanno lavorato in collaborazione con il CERN per fornire finanziamenti e know-how tecnologico e per supportare migliaia di scienziati che aiutano nella ricerca dell'Higgs.

L'LHC è un anello sotterraneo lungo 27 chilometri attraverso il quale i protoni vengono accelerati da magneti superconduttori a una velocità appena inferiore a quella della luce. Due fasci di protoni che viaggiano in direzioni opposte sono focalizzati e diretti a collidere tra loro in punti specifici dove i rivelatori possono osservare le particelle prodotte da queste collisioni. L'uso delle principali strutture di rilevamento con diversi design, in particolare il Compact Muon Solenoid (CMS) e l'A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS), consente agli scienziati di condurre un'ampia varietà di esperimenti per testare le previsioni del modello standard di cui il bosone di Higgs è una parte, per cercare nuove particelle e interazioni che si trovano al di là del modello standard, e per verificarsi reciprocamente i risultati. La rilevazione del bosone di Higgs, annunciata il 4 luglio 2012, si è basata sull'analisi di una quantità senza precedenti di dati raccolti da CMS e ATLAS.

Harvey Newman, Marvin L. Goldberger Professore di Fisica al Caltech e uno dei leader del team Caltech, che fa parte della collaborazione CMS, definisce la scoperta del bosone di Higgs "una pietra miliare nella storia umana" che "è cambiata in modo permanente il modo in cui vediamo l'universo."

Chiamato umoristicamente la "particella di Dio" nel 1993 in un libro omonimo degli autori Leon Lederman e Dick Teresi, il bosone di Higgs svolge un ruolo cruciale nel Modello Standard della fisica:fornisce il meccanismo attraverso il quale le particelle elementari acquisiscono massa. Quando le particelle attraversano il campo di Higgs e interagiscono con i bosoni di Higgs, alcune scivolano sulla superficie, senza cambiare affatto. Ma altri sono presi tra le erbacce, per così dire, e guadagnano massa.

Il Modello Standard deve ancora spiegare adeguatamente la materia oscura o la gravitazione, ma di volta in volta le sue previsioni sono state confermate sperimentalmente. "E' un risultato sorprendente e sorprendente che attraverso l'analisi di quantità crescenti di dati, con modalità sempre più sensibili, l'accordo con il Modello Standard abbia continuato a migliorare in tutti i suoi dettagli, anche come i primi segni di ciò che sta al di là, in termini di nuove particelle e nuove interazioni, ha continuato a sfuggirci", afferma Newman.

Qualsiasi deviazione dai risultati previsti dal Modello Standard suggerisce la presenza di altre particelle o dinamiche che potrebbero un giorno fornire le basi per un nuovo modello fisico più onnicomprensivo.

Le collisioni che producono bosoni di Higgs sono molto rare. Per ogni miliardo di collisioni protone-protone, viene creato un solo bosone di Higgs. Per complicare ulteriormente questo quadro, i bosoni di Higgs decadono molto rapidamente in altre particelle, ed è solo misurando le caratteristiche di queste particelle che si può dedurre l'esistenza precedente del bosone di Higgs. Maria Spiropulu del Caltech, la professoressa di fisica Shang-Yi Ch'en e l'altro capo del team originale di ricercatori del Caltech che ha contribuito a rilevare l'Higgs, lo descrive come il "proverbiale problema dell'ago nel pagliaio".

I miglioramenti tecnologici all'LHC e ai suoi rivelatori hanno consentito una maggiore energia e una maggiore precisione nei collisori e nei loro rivelatori. Dalla scoperta del bosone di Higgs nel 2012, gli esperimenti all'LHC hanno rivelato ulteriori informazioni sul bosone di Higgs e sui suoi processi di massa e di decadimento. Ad esempio, nel 2018, Newman, Spiropulu e altri ricercatori del Caltech hanno lavorato con un team internazionale che ha prodotto prove che mostrano che il bosone di Higgs decade in coppie di particelle fondamentali chiamate quark bottom, un lavoro che Spiropulu descrisse all'epoca come un "lavoro erculeo". Prima di tale scoperta, il team CMS ha effettuato la prima osservazione del bosone di Higgs che si accoppia direttamente alla particella modello standard più pesante, il quark top.

Nel 2020, Spiropulu e i suoi colleghi hanno documentato un raro processo di decadimento del bosone di Higgs che si traduce in due muoni. "Sondare le proprietà del bosone di Higgs equivale a cercare una nuova fisica che sappiamo deve essere presente", ha detto Spiropulu.

"Mi stavo appena diplomando al liceo quando ho sentito della scoperta di Higgs all'LHC", afferma Irene Dutta (MS '20), studentessa laureata del Caltech e membro del team CMS, che ha lavorato alla ricerca sui muoni. "È umiliante sapere quanto bene il Modello Standard possa descrivere le particelle elementari e le loro interazioni con tale precisione."

Più di recente, un team di ricercatori guidato dal Caltech che lavora sull'esperimento CMS ha utilizzato algoritmi di apprendimento automatico basati su reti neurali per sviluppare un nuovo metodo per cacciare quella che potrebbe essere una preda ancora più sfuggente dello stesso Higgs:una preda estremamente rara " coppia" di bosoni di Higgs interagenti che, secondo la teoria, potrebbero essere prodotti durante le collisioni di protoni.

Dopo un arresto di tre anni per aggiornare ulteriormente l'acceleratore e gli esperimenti LHC, l'LHC ha iniziato i preparativi finali per una terza corsa (Run 3) all'inizio del 2022. L'inizio di Run 3, che dovrebbe continuare fino alla fine del 2025, avrà luogo il 5 luglio, producendo le prime collisioni alla nuova energia di 13,6 tera-elettron-volt.

"La scoperta di Higgs è una pietra miliare su una lunga strada da percorrere", afferma Barry Barish del Caltech, Ronald e Maxine Linde Professore di fisica, emerito, l'ex leader del gruppo di fisica delle alte energie del Caltech (e co-vincitore del Premio Nobel per la fisica nel 2017 per il suo lavoro su un altro progetto di fisica su larga scala, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, o LIGO, che ha reso il primo rilevamento delle increspature nello spazio e nel tempo note come onde gravitazionali nel 2016). "La fisica delle particelle sta andando avanti tenendo presente che il Modello Standard descrive solo una minuscola frazione di ciò che sappiamo esistere e più domande sono senza risposta che risposte; sì, abbiamo una grande parametrizzazione semplice nel Modello Standard, ma l'origine effettiva della rottura della simmetria elettrodebole è sconosciuta. Abbiamo ancora molto lavoro da fare", afferma Barish.

Riflettendo su un decennio di esplorazione del bosone di Higgs, Newman osserva che la ricerca "continua a motivarci a pensare di più e a progettare rivelatori aggiornati e miglioramenti dell'acceleratore che ci consentano di espandere notevolmente la nostra portata ora e per i prossimi due decenni". Ciò include la seconda fase principale del programma LHC, noto come High Luminosity LHC, che dovrebbe funzionare dal 2029 al 2040. Fornirà aggiornamenti sostanziali del complesso dell'acceleratore e dei rivelatori che porteranno a un aumento previsto dei dati raccolti da parte di un fattore 20 rispetto a quello che CMS e ATLAS hanno oggi.

Il team di Caltech comprende anche Si Xie, assistente professore di fisica, nonché i ricercatori Adi Bornheim e Ren-Yuan Zhu, che hanno dedicato decenni di studio alla scoperta e alla comprensione del bosone di Higgs. Il gruppo Caltech sta guidando nuovi aggiornamenti del rivelatore a tempo di ultraprecisione per l'LHC ad alta luminosità e sviluppando nuovi approcci di analisi dei dati basati sull'intelligenza artificiale che consentiranno una scoperta accelerata quasi in tempo reale. Il gruppo ha prodotto più di una dozzina di dottorandi. tesi e ha consentito a circa 100 studenti universitari e stagisti di impegnarsi in analisi, strumentazione e ricerca computazionale dalla scoperta dell'Higgs. + Esplora ulteriormente

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