Il Bosone di Higgs: la “particella di Dio”…

5 domande per capire una volta per tutte il bosone di Higgs; nel modo (speriamo) più semplice possibile.

Lungo la frontiera tra la Svizzera e la Francia, è stata costruita dall’uomo la cosa forse ad oggi più avanzata tecnologicamente che la storia ricordi: Il Large Hadron Collider(LHC) al CERN di Ginevra. Non si è certo fatto economia o badato alle spese: svariati miliardi di dollari sono stati impegnati nel più grande investimento in campo scientifico che si ricordi. Vi hanno lavorato per 10 anni circa 5 mila scienziati e tecnici provenienti da una cinquantina di paesi. Per questa ed anche per altre ragioni, l’aspettativa che si è creata intorno a questo colosso è molto intensa ed attira l’interesse non solo di tutta la comunità scientifica ma del mondo intero. L’esperimento forse più importante, oltre a tutte le ricerche in cui l’LHC è coinvolto, dovrebbe aprire le porte ad una delle più grandi rivoluzioni scientifiche ai limiti attuali delle nostre conoscenze. In altre parole, si cerca il “famigerato” Bosone di Higgs.

1. Cosa diavolo è l’ LHC ?

E’ un anello lungo 27 km formato da magneti super raffreddati che accelerano delle particelle quasi ai limiti della velocità della luce (circa 300.000 km al secondo) e le fa collidere dentro al più avanzato rivelatore di particelle sinora costruito, denominato ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS).

ATLAS misura le collisioni tra due protoni a velocità altissime. Quando questi protoni collidono creano delle particelle che durano soltanto alcune frazioni infinitesimali di tempo, e ATLAS le deve rilevare e analizzare. Tutto questo per rispondere ad una domanda: perché la materia ha massa? Da questa non semplice risposta si potrebbe far chiarezza su altre avanzate ipotesi che predicono la possibilità di buchi neri microscopici e, ancor più importante, che cosa è  la materia oscura.

2. Ma cosa c’entra (e cos’è) il Bosone di Higgs?

Peter Higgs, fisico teorico scozzese docente dell’Università di Edimburgo, nel 1960 ha elaborato la teoria del campo scalare che prende il suo nome (campo di Higgs ) e la cui particella mediatrice è detta appunto particella o bosone di Higgs.

Questa particella (frammento minutissimo di materia; sono particelle anche gli atomi; ritenuta indivisibile, rappresenta un costituente di altre particelle subatomiche, dette fondamentali, che rappresentano il mezzo attraverso il quale in natura si trasmettono le forze, ovvero hanno luogo le interazioni) dovrebbe spiegare “perché ha una massa”. Nonostante il  concetto di massa sia ben chiaro in fisica, non si è ancora riusciti ad ottenere un modello dimostrato per spiegare cos’è che fa ottenere massa alle particelle.

Secondo il fisico scozzese, quella che chiamano il ” bosone di Higgs ” è una particella, o un insieme di particelle, che potrebbe dare alle altre particelle la massa.

La teoria ipotizza che una sorta di reticolo, denominato “campo di Higgs”, riempie l’Universo. Si tratta di qualcosa di simile a un campo elettromagnetico, in quanto colpisce le particelle che si muovono attraverso di essa, ma è anche legato alla fisica dei materiali solidi. La scienza ci dice che quando un elettrone passa attraverso un reticolo cristallino formato da atomi di carica positiva (un solido), la massa dell’elettrone può aumentare fino a 40 volte. Lo stesso potrebbe accadere nel campo di Higgs: una particella che si muove attraverso di esso crea distorsione che conferisce la massa alle particelle.

Ecco, in parole povere quello che si sta tentando di fare a Ginevra; praticamente ricreare condizioni simili a quelle della (presunta) nascita dell’Universo, descritta dal Big Bang; in questo modo si potrebbe osservare in “diretta” la prevista teoria, cioè il fenomeno che da massa alle particelle.  Se la teoria è giusta, il bosone di Higgs sarebbe una cosa che muovendosi “crea” intorno a se massa. Da qui probabilmente, volendo essere mistici, l’analogia con la frase “la particella di Dio”. Non è certamente facile semplificare un concetto del genere. Possiamo usare un esempio famoso creato da David Miller, scienziato dell’Università di Londra.

“Immaginate una stanza piena di politici uniformemente distribuiti nella camera. Nel momento in cui entra dalla porta il primo ministro, i politici si spostano andandogli vicino. Quando il primo ministro è vicino a loro, tutti  si stringono l’uno accanto all’altro vicinissimi a lei (allora il primo ministro era donna!), effettivamente dandogli più massa e momento. Mentre si allontana, questi tornano nella loro posizione originale. Il primo ministro in questo esempio rappresenterebbe una particella che si muove nello spazio, ed i politici sono il campo di Higgs, che danno massa alla particella.”

 Bisognerebbe vedere poi se, politicamente parlando, in Italia questo esempio possa aver senso! Secondo me l’analogia sarebbe stata più appropriata se ad entrare nella camera fosse stata una bellissima donna …

3. Scusate l’invadenza: a cosa ci servirebbe questo signor bosone?

La questione della massa è un capitolo ancora aperto nella comprensione del “Modello Standard”; La Teoria Standard, detta anche Modello Standard, descrive tre delle quattro forze della natura: l’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli. L’ elettromagnetismo e la forza nucleare forte, interazioni che legano insieme  gli elementi dei nuclei atomici, e la forza nucleare debole, che disciplina la radioattività e la fusione di idrogeno (il modo in cui funzionano le stelle ed il nostro Sole) sono concetti abbastanza noti e dimostrabili: la massa ancora no; ecco come il bosone di Higgs potrebbe essere l’anello di congiunzione per la completa verifica teorica del Modello Standard. Il modello base della teoria prevede un solo bosone, ma alcuni scienziati predicono che  potrebbero essere diversi.

La ricerca di questa particella potrebbe portare a completamento  nuove teorie nel campo della fisica delle particelle. Alcuni teorici dicono che potrebbe portare alla luce nuovi tipi di interazioni (forze) forti; altri sono convinti che tale risultato confermerebbe una nuova teoria fisica basata su una nuova simmetria fondamentale denominata “supersimmetria”.

In altre parole, nell’ambito della fisica delle particelle e quindi dell’infinitamente piccolo, il Modello di Unificazione delle particelle è al momento la Teoria Standard, che spiega ed è in accordo con tutti i fenomeni fisici osservati. Tale teoria, ha fondamento nella meccanica quantistica.  Quest’ultima grande scoperta, asserisce che il comportamento della materia a minuscole distanze è completamente diverso dal comportamento della materia che percepiamo abitualmente. Cioè a piccolissime distanze (miliardesimi di millimetro) si osserva un comportamento della materia diverso da quello conosciuto. La gravità (la forza fondamentale più debole in natura) può essere trascurata, o meglio può far trascurare totalmente la curvatura dello spazio indotto dalle particelle elementari quando si studia l’infinitamente piccolo. Analogamente, è più che naturale trascurare lo strano comportamento delle particelle elementari a piccole distanze quando si vogliano studiare fenomeni macroscopici come l’evoluzione e lo spostamento delle galassie e usare invece la Teoria della Relatività Generale di Einstein. Abbiamo quindi due teorie fisiche, una che descrive la gravitazione (Relatività Generale) e l’altra che descrive tutte le altre forze della natura (Modello Standard delle Particelle). Tutte e due sono state confermate sperimentalmente,  dimostrando come ciascuna abbia una sua forma di validità in cui l’altra non gioca nessun ruolo. Tutto bene se non si presentasse il problema che a particolari regimi di energia e distanze non è possibile descrivere un fenomeno fisico usando solo l’una o l’altra teoria.

Attualmente pare che la gravità si rifiuti di comportarsi a piccolissime distanze come richiesto dalla Meccanica Quantistica. In questo contesto fa il suo ingresso la Teoria delle Stringhe, una ipotesi fisica che vorrebbe spiegare la struttura più intima della materia, basata sul concetto che i costituenti più elementari possibili della stessa non siano come si pensa oggi puntiformi e senza dimensioni, ma siano assimilabili a minuscole cordicelle che vibrano. La teoria cerca di interpretare tutta la varietà di particelle elementari che conosciamo come stati diversi di vibrazione di questa stringa (o corda vibrante); così come ad esempio una corda di violino sollecitata crea dalle sue vibrazioni note  diverse, una stringa può rispondere a secondo della sua vibrazione con particelle diverse, fornendo in qualche modo una plausibile spiegazione alle forze che interagiscono tra le stesse particelle. Un punto molto importante di questa teoria è quello che riesce a riconciliare la teoria della relatività di Einstein con la meccanica quantistica di Heisenberg.

La Teoria delle Stringhe predice che a distanze un milione di miliardi di volte più piccole delle distanze minime conosciute ad oggi è necessario considerare tutte insieme le forze della natura, gravità compresa. Non è escluso che queste situazioni si siano verificate nei primissimi istanti di vita dell’Universo durante il Big-Bang Da qui il fatto che teoricamente è importantissimo capire come combinare insieme le due teorie, ma per l’appunto tutto questo è tremendamente complicato.

Attualmente potremmo definirla una sorta di complicatissimo gioco matematico, invenzione di brillanti menti teoriche, comprensibilmente affascinante. Ma alcune speranze si affacciano all’orizzonte. Una di queste potrebbe essere proprio il tanto discusso esperimento LHC, che tanto scalpore da “fine del mondo” ha suscitato negli ultimi tempi. Elementi di prova per la teoria delle stringhe potrebbero infatti venire dalla constatazione di brevissima durata di mini buchi neri creati appunto con l’acceleratore di particelle. Ma la possibilità del loro apparire è molto difficile, quindi la loro “non apparizione” non sarebbe certo un colpo mortale per la teoria. Comunque una nuova squadra di scienziati a Ginevra, guidata da Jacques Distler della University of Texas di Austin, Stati Uniti, ha dimostrato che le energie necessarie a rivelare tali effetti “di prova” sono realizzabili con questo acceleratore di particelle.

4. E come funziona questa ricerca?

Per cercare le (fantomatiche) particelle, i ricercatori devono distruggere altre particelle facendole scontrare tra loro a velocità prossime a quella della luce (e questa è la cosa più complicata). Se dopo lo scontro l’energia da tale collisione è abbastanza elevata, avviene una conversione in minuscoli pezzi di materia – sempre particelle – una delle quali potrebbe essere un bosone di Higgs. Il decadimento del bosone durerà solo una piccolissima frazione di secondo; quindi, al fine di capire se “l’ Higgs” è  apparso nella collisione, i ricercatori devono cercare le prove di questo decadimento.

5. Allora avremmo tutto da guadagnare da questi giochetti degli scienziati fatti a Ginevra?

E’ forse impossibile dire quali saranno i sviluppi che verranno dalla ricerca avanzata come nel caso del LHC. Sicuramente, prima di tutto in termini di conoscenza. Ma non solo. Intanto gli scienziati vogliono verificare se il bosone di Higgs esiste; ricordiamoci che attualmente è una teoria matematicamente elegante, ma nessuno lo ha ancora visto questo “signor” bosone. Restando nella mentalità italiana, potremmo parafrasare il grande Michael Faraday, uno dei fisici più famosi del XIX secolo, il quale interrogato da un giornalista sulle applicazioni pratiche che si potevano trarre dai suoi esperimenti rispose: “Non ho idea di come potrebbero essere utili in futuro, ma sono sicuro che i politici troveranno il modo di tassarle”. Decisamente tutto il mondo è paese.

Una delle cose però che attualmente è in piena fase di ricerca, potrebbe essere quel sogno inseguito da tempo dagli studiosi e sicuramente da chi ha a cuore il futuro energetico del nostro pianeta: la fusione nucleare controllata. La possibilità, in termini pratici, di ricreare in modo controllato il funzionamento del nostro Sole e quindi delle stelle in genere; ovvero energia pulita e quasi gratis per sempre, senza alcun limite. Si tratta dello “scontro” di due atomi (pare che gli scontri in fisica siano abbastanza comuni!) sino ad ottenere una “fusione” con relativo rilascio di (enorme) energia. Come sempre si ritorna un ad Einstein, con la sua famosa equazione E=Mc2; la possibilità di trarre energia dalla massa e massa dall’energia.

Un sogno perché la cosa è veramente difficile. Si tratta di far “fondere” tra loro due nuclei atomici nonostante entrambi abbiano una carica positiva. La forza repulsiva è enorme, necessita quindi una smisurata quantità di energia per vincere questa forza. Un dispendio per questa lotta che deve essere competitivo per la produzione di energia; non si può spendere 10 euro per creare 5 euro di energia! Ma a parte il lato economico, i problemi fisici sono diversi e tutti molto complicati. Non per ultimo il problema della creazione di temperature altissime in questo momento difficilmente controllabili con le conoscenze attuali. In compenso i benefici sarebbero incalcolabili. Niente più fissione nucleare (le centrali atomiche attuali) con tutti i problemi delle scorie e i pericoli connessi; nessun pericolo di reazioni a catena e radiottività e non ci sarebbe alcun modo di usare questa tecnologia per le armi, cosa quest’ultima non indifferente vista la litigiosità di noi terrestri.

L’LHC svolge un ruolo fondamentale in questa prospettiva. Conoscere la natura delle particelle quantistiche coinvolte, potrebbe offrire nuovi modi di usare la fusione, e parte delle ricerche dell’istituto sono incentrate su sistemi nuovi di raffreddamento per la fusione.

Certamente basterebbe solo questa preziosa prospettiva per giustificare tanti sforzi e tanto denaro speso in questa ricerca. Grandi prospettive si affacciano nel futuro della scienza. Non è escluso che molti libri di fisica dovranno essere rivisti e corretti, senza dimenticare però che grazie a loro e a qualche teoria in apparenza “strampalata” si è oggi arrivati al punto in cui siamo. E non è che l’inizio…

3 pensieri su “Il Bosone di Higgs: la “particella di Dio”…

  1. Molto chiaro, finchè era possibile, anche a chi, come me, è un semplice affamato di conoscenze che non bastano mai.
    Complimenti vivissimi.
    Vittorio Montis.
    Musicista – Compositore

  2. è più probabile che una scimmia scriva a memoria l intera divina commedia di dante alighieri che sti “scienziati” trovano questa “particella di higgs”.

    .. diciamo che a un certo punto… “sbang” …. tutto fuoriesce dal “nulla”. ma il nulla non è nulla. è qui l’errore di tutti gli “studiosi”. ma è un qualocosa che fuoriesce dalle logiche convenzionali. poi il “nulla che non è un nulla” … si “raffredda”. a un certo livello… c’è rapporto di proporzionalità nel raffreddamento … poi .. va da sè. ma il bello .. è che quell “inizio” .. quell “sbang” .. c’è ancora… ma tutti sono cosi stupidi da considerare ancora il “tempo”. il “tempo” … se fosse che in uno spazio vi è “tale tempo” .. e poi in un altro “un altro” .. a dipendenza di quanto di energia e di massa e gravità vi possa essere …. il tempo … quale vuoi che sia entro quel “bang”? soltanto ciò di cui vediamo nei “fanta” buchi neri … fantasie … ma vi è qualcosa di vero in questo… seppur saputo solo teorico … il fatto che questi buchi neri, nella teoria, hanno la la stessa massa in ciò che io chiamo, “infinito universo”. l universo al confine, che non è infinito .. ai nostri occhi … ma lo è se visto nelle proporzioni di un punto nonchè punto di vista esterno, quale quello posto in esso, al suo confine. ossia al suo inizio. quale mistero vi è nel sapere che nel più “piccolo spazio”, vi è l'”ora e il sempre”? e quali più che quanti ancora, calcoli si dovrebbero fare per scoprire esso, che oltre a una certa “dimensione” non è più? riflettete gente .. riflettete … di più non dico … di più non posso dire …. solo farvi un disegnino. ma non avrebbe senso.. perchè voi credete alla scienza. al convenzionale. al punto di vista terrestre. mettetevi un pò al confine .. e vedrete come tutto è cominciato. un punto che non ha fine, perchè si espande… ma non ha un ben preciso inizio.. perchè instabile …. e visto da fuori… in continua espanzione… se non per la dimensione che varia…e varia al variare del suo “flusso”. ecco. riassumetelo tutto.. e qui.. ma solo nella vostra mente, troverete la particella di higgs, dato che non la potrete mai toccare, nè vedere. ma solo immaginare, quale potete come ho fatto io.

  3. …se poteste vedere coi vostri occhi il confine, lo perdereste comunque di vista, nel suo rimpicciolire… e vi sembrerebbe stabile. e voi da li dentro.. non l avvertireste espandere. ma lui c’è, e si “sconfina”. si “espande” e “s avvicina”. s “allontana”. ma non è in realtà che l inizio, che in realtà fuori da questa, di realtà, s’avvicina ma distrugge. sconfina, ma crea. è un flusso che va e viene. da e toglie. è un punto che oltre al conosciuto, crea e distrugge. rilascia energia che si “raffredda” e crea la materia … che si “riassorbe”. siamo un immenso respiro divino, perchè SIAMO un immenso respiro. non guardate oltre questo “grande polmone”. fantasticate, ma non vdrete niente, perchè fuori da esso c’è energia, quella che da e distrugge. done e toglie l essenza di ogni cosa. prendete un palloncino. disegnate un cerchio. all interno di esso un punto. gonfiatelo. esso s’espanderà. il palloncino e quindi il cerchio. ma se voi foste quel punto non lo vedreste espandere, perchè il punto stesso si dilata all interno di quel cerchio stesso. il palloncino è il “sistema”. il cerchio è l universo. il punto siete voi … fate un pò voi …. notte

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