[...] Vedremo l’origine dell’universo, che cosa è successo un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang, perché quelle sono le condizioni che verranno ricreate. Un progetto simile non è mai stato tentato, ed è il più ambizioso al mondo. Non poteva succedere che qui al Cern, il più importante laboratorio planetario per la fisica delle particelle, l’impresa che (dal 1954) tiene insieme venti stati membri europei, e circa sessanta di tutto il mondo, impegnando ogni giorno ottomila (...)

Un Bosone da Nobel

Il riconoscimento assegnato a François Englert e Peter Higgs

di Pietro Greco (l’Unità, 09.10.2013)

PREMIO NOBEL PER LA FISICA 2013 AL BELGA FRANÇOIS ENGLERT E ALLO SCOZZESE PETER W. HIGGS «per la scoperta teorica del meccanismo che contribuisce alla comprensione dell’origine della massa delle particelle subatomiche, recentemente confermata dalla scoperta della prevista particella fondamentale da parte degli esperimenti Atlas e Cms presso il Large Hadron Collider del Cern».

L’Accademia delle scienze di Stoccolma ha, dunque, premiato il «bosone di Higgs», il padre che gli ha dato il nome, Peter W. Higgs, e un altro, François Englert, degli altri quattro o cinque padri che gli hanno dato vita, sia pure per via teorica: (Robert Brout, Phil Anderson, Gerald S. Guralnik, Carl R. Hagen e Tom Kibble).

Ma la motivazione del Nobel fa anche esplicito riferimento (e, dunque, riconoscimento) ai gruppi di fisici sperimentali che il «bosone di Higgs» lo hanno rilevato per via empirica: i gruppi Atlas e Cms, il primo guidato dall’italiana Fabiola Gianotti e il secondo a lungo guidato dall’italiano Guido Tonelli.

L’esistenza di svariati padri testimonia di come la storia del meccanismo che ha portato a ipotizzare una particella, il «bosone di Higgs», capace di donare la massa a tutte le altre e, dunque, all’universo intero sia piuttosto complessa. Il meccanismo si chiama BEH, dai cognomi di Brout, Englert e Higgs. È stato ipotizzato all’inizio degli anni ’60 del secolo scorso, prevede l’esistenza nell’universo di un campo, chiamato campo di Higgs. Proprio come esiste un campo elettromagnetico o un campo gravitazionale. In questo campo le particelle si muovono come in un liquido viscoso, più le particelle lo sentono più diventano pesanti, ovvero acquistano massa. Alcune particelle lo sentono moltissimo e, di conseguenza, sono pesantissime. Altre, come i neutrini, lo sentono pochissimo e dunque sono leggerissime. Il meccanismo è stato ipotizzato in maniera indipendente dalla coppia Brout ed Englert (sulla base di ipotesi formulate da Anderson) e da Peter Higgs.

Tuttavia Higgs è stato il primo a ipotizzare l’esistenza di bosone di gauge, ovvero di una particella che trasporta l’informazione del campo a cui è associato, proprio come fa il fotone per il campo elettromagnetico. Il bosone che media il «campo di Higgs» è noto come «bosone di Higgs». Tuttavia l’esistenza del bosone e del campo di Higgs prevede che il vuoto risponda a specifiche leggi di simmetria, che prevedono la rottura spontanea di simmetria. Per questo, come nota il fisico e divulgatore Gian Francesco Giudice, il premio Nobel di ieri è un piccolo monumento alla simmetria, alle sue leggi e al ruolo che esse giocano nelle fisica delle alte energie.

Ora, la teoria della rottura spontanea di simmetria e dell’esistenza di particelle di gauge, su cui si basa il meccanismo BEH è stata messa a punto, sempre all’inizio degli anni ’60 da Guralnik, Hagen e Kibble. Ecco perché il campo e il bosone di Higgs hanno sei o sette padri. Di cui solo due sono stati premiati.

Ma la storia non finisce mezzo secolo fa. Anzi prosegue nel tempo, disegnando due strade diverse. Una teorica. Il meccanismo funziona così bene, mette a posto tante cose nell’universo della fisica fondamentale che diventa la base del Modello Standard delle alte energie, che porta Stephen Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam a formulare, poco dopo, la cosiddetta teoria elettrodebole, che unifica due forze fondamentali della natura (l’elettromagnetismo e l’interazione debole) e prevede l’esistenza di altri bosoni intermedi (W+, We Z0), rilevati poi al Cern di Ginevra da Carlo Rubbia e dal suo gruppo.

Il meccanismo di Higgs o Brout, Englert, Higgs (BEH) o di Brout, Englert, Higgs, Anderson, Guralnik, Hagen, Kibble (BEHAGHK) regge per cinquant’anni il vaglio della teoria e, anzi, diventa la base fondamentale della fisica delle alte energie, secondo cui in natura esistono quattro forze fondamentali e due gruppi di particelle, gli adroni (a loro volta composti da quark) e i leptoni (tra cui vi sono l’elettrone e i neutrini). Intanto il secondo percorso intrapreso dal meccanismo di Higgs, attraverso la verifica sperimentale e la cattura del bosone di Higgs, resta vuoto per oltre mezzo secolo.

La particella, piuttosto pesante, sfugge a ogni tentativo di intrappolarla. Cosicché per tutto questo tempo abbiamo una teoria solida (ma non completa), addirittura un Modello Standard, senza una decisiva prova sperimentale. Gli scienziati sanno che una situazione del genere non può durare a lungo, pena il discredito stesso della teoria. Per questo soprattutto per questo è stato costruito il Large Hadron Collider (LHC): per catturare, finalmente, il bosone di Higgs e validare con un fatto empirico il modello teorico.

Come tutti sanno, ormai, l’impresa è riuscita a due gruppi, Atlas e Cms, dei sei che lavorano ad LHC. Il primo, Atlas, è guidato dall’italiana Fabiola Gianotti; il secondo, Cms, è stato a lungo guidato da un altro italiano, Guido Tonelli, e ora dall’americano Joe Incandela. I due gruppi hanno individuato una particella in un range di energia compreso tra 125,2 e 126,0 GeV e che ha tutte le caratteristiche che dovrebbe avere il bosone di Higgs. La grande maggioranza della comunità dei fisici delle alte energie ritiene che quella sia la particella di Higgs. Tutto questo è avvenuto esattamente un anno fa e la conferma è stata dato poco più di sei mesi fa.

I due percorsi, quello della teoria di successo e quello della verifica sperimentale, dopo mezzo secolo si sono incontrati. E, dunque, non c’era Nobel più atteso e meritato. Ovviamente quando si attribuisce un premio a un lavoro che non è individuale, ma il frutto di un’impresa cui hanno partecipato in molti, resta qualche interrogativo.

Perché sono stati premiati solo Higgs ed Englert? Beninteso, i due lo meritano. Ma non lo meritano un po’ anche gli altri quattro o cinque teorici? E poi gli sperimentali, meritano solo una citazione o forse avrebbero dovuto avere qualcosa di più? Va detto che spesso a Stoccolma i teorici e gli sperimentali coinvolti in una scoperta importante sono premiati separatamente. Spesso a qualche anno di distanza l’uno dall’altro. Dunque, dopo il riconoscimento c’è speranza che anche i leader dei due gruppi, pieni zeppi di italiani, che hanno catturato il bosone di Higgs al Cern ottengano il Nobel. Non resta che attendere.

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Che cos’è e perché apre la strada a una nuova scienza

a cura di Giovanni Caprara (Corriere della Sera, 09.10.2013)

1. Che cos’è il bosone di Higgs?

È la particella che ancora mancava alla teoria quantistica nota come «Modello Standard» che descrive l’architettura di base della natura formata da varie particelle (elettroni, protoni ecc.) e tre delle quattro forze fondamentali (interazione forte, debole ed elettromagnetica). Rimane fuori, ad esempio, la forza di gravità. Si erano immaginati cinque tipi di bosoni e quello annunciato il 4 luglio dell’anno scorso e ora premiato col Nobel sarebbe il più leggero. Ma forse ne esistono altri. La sua presenza è importantissima perché stabilisce la massa delle altre particelle oltre che di se stesso. La sua comprensione non è immediata. Per descriverlo si potrebbe immaginare un lago con la sua superficie tranquilla. Questo è il campo di Higgs. Soffia una brezza leggera che genera delle increspature, delle onde. Le onde sono i bosoni di Higgs e quando cessa il vento scompaiono. Altrettanto i bosoni di Higgs che decadono in altre particelle (fotoni, ecc.).

2. Che cosa si è scoperto al Cern con l’acceleratore Lhc?

Prima di tutto si è visto che esiste davvero. Se non si fosse trovato, tutta la teoria del «Modello Standard» sarebbe stata da rivedere. Inoltre si è stabilito che ha una massa corrispondente a 126 Gev (miliardi di elettronvolt) che equivale a 126 volte la massa di un protone, una conoscenza ben nota perché forma il nucleo di ogni atomo assieme ai neutroni. Il bosone di Higgs è stato definito «una pietra miliare nella conoscenza della natura» perché se non ci fosse non avrebbero massa le stelle, i pianeti e neanche noi stessi. L’acceleratore Lhc, per la prima volta, scontrando fra loro nuvole di protoni ha riprodotto l’energia esistente nei primi frammenti di secondo dopo il Big Bang, il grande scoppio da cui tutto ha avuto origine. Per l’esattezza la supermacchina ginevrina ricrea le condizioni esistenti nel primo millesimo di miliardesimo di secondo.

3. Si è trovato tutto quello che era previsto?

Soltanto in parte. Perché quando il bosone compare decade rapidamente in tre altri tipi di particelle trovando più fotoni e meno particelle quark e tau rispetto a ciò che era stato immaginato. Ora il compito che hanno davanti i fisici del Cern è appunto quello di capire simili anomalie rispetto alla teoria. Alcune di queste particelle potrebbero, ad esempio, spiegare la materia oscura che occupa buona parte dell’Universo e ancora resta sconosciuta. Va tenuto conto del fatto che l’acceleratore Lhc ha espresso finora un’energia di 7 TeV (tera elettronvolt). Adesso è in manutenzione e quando verrà riacceso nel 2015 raddoppierà la sua capacità arrivando sino a 14 TeV. Ciò spalancherà le porte ad una nuova fisica. Alla scoperta del bosone hanno partecipato circa 600 fisici italiani dell’Istituto nazionale di fisica nucleare e appartenenti soprattutto alle università di Pisa, Milano, Roma e Pavia.

4. Quali prospettive si aprono dopo la scoperta del bosone di Higgs?

Gli scienziati teorizzano la possibilità di trovare le particelle che spiegano sia la materia oscura sia l’energia oscura che riempiono il 96 per cento dell’Universo. Il rimanente 4 per cento è costituito da tutta la materia che vediamo, stelle e pianeti. Quindi si parla di particelle simmetriche a quelle note ma con caratteristiche diverse: accanto all’elettrone ci sarebbe ad esempio il selettrone e poi lo squark, l’sneutrino ecc. Ma si potrebbero scoprire altre dimensioni oltre le quattro in cui viviamo come la teoria delle stringhe già ipotizza. Ecco la nuova fisica.