Vlad Krasen
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Oggi è una buona giornata per la fisica.
Due nuovi risultati rilasciati oggi (4 giugno) hanno scoperto che il bosone di Higgs sta spuntando insieme alla particella più pesante mai scoperta. E i risultati potrebbero aiutarci a comprendere meglio uno dei problemi fondamentali della fisica: perché la materia ha massa.
I risultati sono stati rilasciati alla conferenza Large Hadron Collider Physics 2018 a Bologna, in Italia. La scoperta è stata compiuta indipendentemente da due esperimenti (A Toroidal LHC Apparatus, o ATLAS e Compact Muon Solenoid, o CMS) utilizzando i dati registrati presso il Large Hadron Collider (LHC), situato presso il laboratorio del CERN in Svizzera. Questi risultati sono disponibili al pubblico in due articoli, uno appena presentato per la pubblicazione e uno appena pubblicato.
A caccia di massa
La caccia agli Higgs e le origini della messa hanno una storia affascinante. Nel 1964, diversi gruppi di scienziati, tra cui il fisico britannico Peter Higgs e il fisico belga Francois Englert, predissero che la massa delle particelle subatomiche fondamentali derivasse dalle interazioni con un campo energetico ora chiamato campo di Higgs. Il campo energetico permea l'universo. Le particelle che interagiscono maggiormente con il campo sono più massicce, mentre altre interagiscono poco con il campo e alcune per niente. Una conseguenza di questa previsione è che dovrebbe esistere una particella subatomica chiamata bosone di Higgs. [6 Implicazioni della ricerca del bosone di Higgs]
Dopo quasi 50 anni di ricerche, i ricercatori dell'LHC hanno trovato il bosone di Higgs nel 2012. Per la loro previsione di successo, Higgs ed Englert hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica 2013.
La particella subatomica fondamentale più pesante conosciuta è il quark top, scoperto nel 1995 al Fermilab, situato appena ad ovest di Chicago. Ci sono sei quark noti. Due sono stabili e si trovano al centro di protoni e neutroni. Gli altri quattro sono instabili e vengono creati solo in acceleratori di particelle di grandi dimensioni. Un singolo quark superiore ha una massa paragonabile a un atomo di tungsteno.
Misurazione sfuggente
Nell'annuncio di oggi, gli scienziati hanno descritto una classe di collisioni in cui una coppia quark materia / antimateria è stata creata simultaneamente con un bosone di Higgs. Queste collisioni consentono agli scienziati di misurare direttamente la forza dell'interazione tra bosoni di Higgs e quark top. Poiché l'interazione di una particella con il campo di Higgs è ciò che conferisce a una particella la sua massa e poiché il quark superiore è la particella subatomica fondamentale più massiccia, il bosone di Higgs interagisce in modo più forte con il quark superiore. Di conseguenza, interazioni di questo tipo sono un laboratorio ideale in cui fare studi dettagliati sulle origini della massa.
Questa misurazione è stata particolarmente impegnativa. La scoperta del bosone di Higgs nel 2012 ha comportato solo una manciata di collisioni. Le collisioni in cui vengono prodotti simultaneamente sia bosoni di Higgs che quark top si verificano solo nell'1% delle collisioni in cui viene prodotto un bosone di Higgs. Quando si include la grande varietà di modi in cui i quark top possono decadere, questa analisi ha richiesto dozzine di analisi indipendenti, coinvolgendo centinaia di ricercatori. Le analisi sono state quindi combinate in un'unica misurazione. Questo è stato un risultato molto difficile.
Prima di questa misurazione, non era possibile misurare direttamente la forza di interazione di un quark top e dei bosoni di Higgs. I bosoni di Higgs hanno una massa di 125 GeV (miliardi di elettronvolt) e il quark superiore ha una massa di 172 GeV. Quindi, una coppia quark / antiquark top ha una massa di 344 GeV, che è maggiore della massa del bosone di Higgs. È quindi impossibile per un bosone di Higgs decadere in una coppia quark / antiquark top. Invece, viene creata una coppia quark / antiquark top e una di queste due particelle emette un bosone di Higgs. Ogni quark superiore decade in tre particelle e il bosone di Higgs decade in due. Quindi, dopo il decadimento delle particelle, ci sono otto diversi prodotti di decadimento trovati nel rivelatore, che devono essere assegnati correttamente. È un insieme di dati molto complesso. [Strani quark e muoni, oh mio! Le particelle più piccole della natura sezionate]
È anche un tipo molto raro di interazione. Gli scienziati hanno setacciato circa un quadrilione di collisioni (10 portate alla potenza 15) tra coppie di protoni per identificare una manciata di collisioni con le caratteristiche richieste.
Misteri residui
Mentre la scoperta del bosone di Higgs e le successive misurazioni portano i ricercatori a credere che la teoria scritta per la prima volta nel 1964 da Higgs, Englert e altri sia corretta, rimangono alcuni significativi misteri residui. Tra questi: perché il bosone di Higgs ha la massa che ha? E perché c'è un campo di Higgs? Innanzitutto è il fatto che la teoria di Higgs non è motivata da un quadro teorico più profondo. Viene semplicemente aggiunto. Nella sua forma più semplice, il Modello Standard (che è la teoria principale delle interazioni subatomiche) prevede che tutte le particelle subatomiche fondamentali siano prive di massa. Ciò è in diretta contraddizione con le misurazioni. La teoria di Higgs viene aggiunta, un po 'come un cerotto teorico, al modello standard. Poiché la teoria di Higgs può spiegare la massa di queste particelle, la teoria di Higgs è stata ora inclusa nel modello standard.
Ma è pur sempre un cerotto, e questo è uno stato di cose insoddisfacente. Forse studiando le interazioni tra i bosoni di Higgs e le particelle con cui interagiscono più fortemente, scopriremo un comportamento che punta a una teoria sottostante più profonda e più esplicativa.
Inoltre, il valore numerico della massa del bosone di Higgs è un po 'un mistero. Il campo di Higgs dà massa alle particelle subatomiche fondamentali, incluso il bosone di Higgs stesso. Tuttavia, la storia è più complessa di così. A causa degli effetti della meccanica quantistica, il bosone di Higgs può temporaneamente trasmutarsi in altre particelle subatomiche, incluso il quark superiore. Mentre il bosone di Higgs è in questo stato trasmutato, queste particelle temporanee possono interagire con il campo di Higgs e quindi modificare indirettamente la massa del bosone di Higgs. Quando questi effetti vengono presi in considerazione, la massa prevista e misurata del bosone di Higgs è in disaccordo selvaggio. Questo è un mistero pressante per la fisica moderna e, si spera, migliori misurazioni delle interazioni dei bosoni di Higgs faranno luce su questo enigma.
Sebbene l'annuncio di oggi comporti solo un piccolo numero di collisioni in cui si creano quark top e bosoni di Higgs, in futuro sarà possibile studiare questo processo con maggiore precisione. L'LHC sta funzionando in modo eccellente, ma entro la fine del 2018 avrà fornito solo il 3% dei dati che dovrebbe fornire. Alla fine del 2018, l'LHC verrà chiuso per due anni per aggiornamenti e ristrutturazioni. Nel 2021, il collisore riprenderà le operazioni con una vendetta, operando fino al 2030. Durante questo periodo, gli scienziati prevedono di registrare 30 volte più dati di quelli raccolti entro la fine di quest'anno.
È difficile sapere cosa troveremo. L'LHC ei rilevatori associati sono straordinari pezzi di tecnologia ed è effettivamente probabile che forniranno ancora più dati di quanto previsto. Con così tanti dati, è del tutto possibile che gli scienziati scopriranno qualche nuovo fenomeno che non è stato scoperto, ma che richiederà la riscrittura dei libri di testo. Non è una garanzia, ma una cosa è certa: l'annuncio di oggi delinea un percorso chiaro per comprendere meglio le origini della massa.
Nota dell'editore: Don Lincoln è un ricercatore di fisica al Fermilab. È autore di "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di video di educazione scientifica. Seguitelo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono le sue.