Credito:CERN
Dieci anni fa, il 4 luglio 2012, le collaborazioni ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) hanno annunciato la scoperta di una nuova particella con caratteristiche coerenti con quelle del bosone di Higgs previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. La scoperta è stata una pietra miliare nella storia della scienza e ha catturato l'attenzione del mondo. Un anno dopo vinse a François Englert e Peter Higgs il Premio Nobel per la Fisica per la loro predizione fatta decenni prima, insieme al compianto Robert Brout, di un nuovo campo fondamentale, noto come campo di Higgs, che pervade l'universo, si manifesta come il bosone di Higgs e dà massa alle particelle elementari.
"La scoperta del bosone di Higgs è stata una pietra miliare monumentale nella fisica delle particelle. Ha segnato sia la fine di un viaggio decennale di esplorazione che l'inizio di una nuova era di studi su questa particella molto speciale", afferma Fabiola Gianotti, Direttore del CERN -Generale e capo progetto ("portavoce") dell'esperimento ATLAS al momento della scoperta. "Ricordo con emozione il giorno dell'annuncio, un giorno di immensa gioia per la comunità mondiale di fisica delle particelle e per tutte le persone che hanno lavorato instancabilmente per decenni per rendere possibile questa scoperta."
In soli dieci anni i fisici hanno compiuto enormi passi avanti nella nostra comprensione dell'universo, non solo confermando fin dall'inizio che la particella scoperta nel 2012 è effettivamente il bosone di Higgs, ma consentendo anche ai ricercatori di iniziare a costruire un quadro di come la presenza pervasiva di un Higgs campo in tutto l'universo è stato stabilito un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang.
Il nuovo viaggio finora
La nuova particella scoperta dalle collaborazioni internazionali ATLAS e CMS nel 2012 sembrava molto simile al bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Ma era davvero quella particella tanto ricercata? Non appena la scoperta è stata fatta, ATLAS e CMS hanno deciso di indagare in dettaglio se le proprietà della particella che avevano scoperto corrispondessero veramente a quelle previste dal Modello Standard. Utilizzando i dati della disintegrazione, o 'decadimento', della nuova particella in due fotoni, i portatori della forza elettromagnetica, il
gli esperimenti hanno dimostrato che la nuova particella non ha momento angolare intrinseco o spin quantistico, esattamente come il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Al contrario, tutte le altre particelle elementari conosciute hanno uno spin:le particelle di materia, come i quark 'up' e 'down' che formano protoni e neutroni, e le particelle portatrici di forza, come i bosoni W e Z.
Osservando i bosoni di Higgs prodotti e decadenti in coppie di bosoni W o Z, ATLAS e CMS hanno confermato che questi ottengono la loro massa attraverso le loro interazioni con il campo di Higgs, come previsto dal Modello Standard. La forza di queste interazioni spiega il breve raggio della forza debole, che è responsabile di una forma di radioattività e avvia la reazione di fusione nucleare che alimenta il Sole.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il quark top, il quark bottom e il leptone tau, che sono i fermioni più pesanti, ottengono la loro massa dalle loro interazioni con il campo di Higgs, sempre come previsto dal modello standard. Lo hanno fatto osservando, nel caso del quark top, il bosone di Higgs prodotto insieme a coppie di quark top, e nel caso del quark bottom e del leptone tau, il decadimento del bosone rispettivamente in coppie di quark bottom e leptoni tau . Queste osservazioni hanno confermato l'esistenza di un'interazione, o forza, chiamata interazione di Yukawa, che fa parte del Modello Standard ma è diversa da tutte le altre forze del Modello Standard:è mediata dal bosone di Higgs e la sua forza non è quantizzata, cioè, non arriva in multipli di una certa unità.
ATLAS e CMS hanno misurato la massa del bosone di Higgs in 125 miliardi di elettronvolt (GeV), con una precisione impressionante di quasi uno per mille. La massa del bosone di Higgs è una costante fondamentale della natura che non è prevista dal Modello Standard. Inoltre, insieme alla massa della particella elementare più pesante conosciuta, al quark top e ad altri parametri, la massa del bosone di Higgs può determinare la stabilità del vuoto dell'universo.
Questi sono solo alcuni dei risultati concreti di dieci anni di esplorazione del bosone di Higgs presso il collisore più grande e potente del mondo, l'unico posto al mondo in cui questa particella unica può essere prodotta e studiata in dettaglio.
"I grandi campioni di dati forniti dall'LHC, le prestazioni eccezionali dei rivelatori ATLAS e CMS e le nuove tecniche di analisi hanno consentito a entrambe le collaborazioni di estendere la sensibilità delle loro misurazioni del bosone di Higgs oltre ciò che si pensava possibile quando gli esperimenti sono stati progettati", afferma il portavoce di ATLAS Andreas Hoecker.
Inoltre, da quando l'LHC ha iniziato a scontrare protoni a energie record nel 2010, e grazie alla sensibilità e precisione senza precedenti dei quattro esperimenti principali, le collaborazioni LHC hanno scoperto più di 60 particelle composite previste dal Modello Standard, alcune delle quali sono esotiche 'tetraquark' e 'pentaquarks'. Gli esperimenti hanno anche rivelato una serie di accenni intriganti di deviazioni dal Modello Standard che impongono ulteriori indagini e hanno studiato il plasma di quark e gluoni che riempiva l'universo nei suoi primi momenti con dettagli senza precedenti. Hanno anche osservato molti processi di particelle rare, effettuato misurazioni sempre più precise dei fenomeni del Modello Standard e aperto nuovi orizzonti nella ricerca di nuove particelle oltre a quelle previste dallo Standard
Modello, comprese le particelle che potrebbero costituire la materia oscura che rappresenta la maggior parte della massa dell'universo.
I risultati di queste ricerche aggiungono elementi importanti alla nostra comprensione della fisica fondamentale. "Le scoperte nella fisica delle particelle non devono necessariamente significare nuove particelle", afferma il direttore della ricerca e dell'informatica del CERN, Joachim Mnich. "I risultati di LHC ottenuti in un decennio di funzionamento della macchina ci hanno permesso di diffondere una rete molto più ampia nelle nostre ricerche, ponendo forti limiti alle possibili estensioni del Modello Standard e di elaborare nuove tecniche di ricerca e analisi dei dati. "
Sorprendentemente, tutti i risultati di LHC ottenuti finora si basano solo sul 5% della quantità totale di dati che il collisore fornirà nel corso della sua vita. "Con questo 'piccolo' campione, l'LHC ha consentito grandi passi avanti nella nostra comprensione delle particelle elementari e delle loro interazioni", afferma il teorico del CERN Michelangelo Mangano. "E mentre tutti i risultati ottenuti finora sono coerenti con il Modello Standard, c'è ancora molto spazio per nuovi fenomeni al di là di quanto previsto da questa teoria."
"Lo stesso bosone di Higgs potrebbe indicare nuovi fenomeni, inclusi alcuni che potrebbero essere responsabili della materia oscura nell'universo", afferma il portavoce di CMS Luca Malgeri. "ATLAS e CMS stanno effettuando molte ricerche per sondare tutte le forme di processi imprevisti che coinvolgono il bosone di Higgs."
Il viaggio che ci attende ancora
Cosa resta da imparare sul campo di Higgs e sul bosone di Higgs dieci anni dopo? Molto. Il campo di Higgs fornisce massa anche ai fermioni più leggeri o potrebbe essere in gioco un altro meccanismo? Il bosone di Higgs è una particella elementare o composita? Può interagire con la materia oscura e rivelare la natura di questa misteriosa forma di materia? Cosa genera la massa e l'autointerazione del bosone di Higgs? Ha gemelli o parenti?
Trovare le risposte a queste e ad altre domande intriganti non solo migliorerà la nostra comprensione dell'universo alle scale più piccole, ma potrebbe anche aiutare a svelare alcuni dei più grandi misteri dell'universo nel suo insieme, come ad esempio come è diventato così com'è e quale potrebbe essere il suo destino finale. L'autointerazione del bosone di Higgs, in particolare, potrebbe contenere le chiavi per una migliore comprensione dello squilibrio tra materia e antimateria e della stabilità del vuoto nell'universo.
Mentre le risposte ad alcune di queste domande potrebbero essere fornite dai dati dell'imminente terzo ciclo di LHC o dal principale aggiornamento del collisore, l'LHC ad alta luminosità, dal 2029 in poi, si ritiene che le risposte ad altri enigmi siano fuori dalla portata del LHC, che richiede una futura "fabbrica di Higgs". Per questo motivo, il CERN e i suoi partner internazionali stanno studiando la fattibilità tecnica e finanziaria di una macchina molto più grande e potente, il Future Circular Collider, in risposta a una raccomandazione fatta nell'ultimo aggiornamento della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle.
"I collisori ad alta energia rimangono il microscopio più potente a nostra disposizione per esplorare la natura alle scale più piccole e per scoprire le leggi fondamentali che governano l'universo", afferma Gian Giudice, capo del dipartimento di teoria del CERN. "Inoltre, queste macchine portano anche enormi vantaggi per la società."
Storicamente, l'acceleratore, il rivelatore e le tecnologie informatiche associate ai collisori ad alta energia hanno avuto un grande impatto positivo sulla società, con invenzioni come il World Wide Web, gli sviluppi del rivelatore che hanno portato allo scanner PET (Tomografia a emissione di positroni) e il progettazione di acceleratori per l'adroterapia nel trattamento dei tumori. Inoltre, la progettazione, la costruzione e il funzionamento di collider e esperimenti di fisica delle particelle hanno portato alla formazione di nuove generazioni di scienziati e professionisti in altri campi e a un modello unico di collaborazione internazionale. + Esplora ulteriormente
