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Il Bosone di Higgs ... e adesso?

Viaggio attraverso la storia che ha portato a una delle scoperte più importanti del 2012
by

Paolo Bussei

on 23 September 2013

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Transcript of Il Bosone di Higgs ... e adesso?

Democrito di Abdera (460 - 370 a.C.)
Il primo autore di un trattato coerente sulle particelle "elementari" della materia, dal titolo ancora attualissimo
Microcosmo.

L’originalità della filosofia di Leucippo-Democrito si basava su due assunti fondamentali:
l’accettazione dell’esistenza dello
spazio,
che contiene in sé sia gli oggetti stazionari che quelli in movimento, e perciò può essere sia pieno che completamente
vuoto;
l’aver stabilito che la frantumazione degli oggetti macroscopici deve avere un limite -> atomi

Per spiegare la Natura bisogna ricorrere alla
osservazione e al ragionamento.
IL BOSONE DI
HIGGS ... E ADESSO?

Il 4 luglio 2012, il CERN annuncia la
scoperta di una particella
compatibile
con il bosone di Higgs
, la cui massa risulta intorno ai 126 GeV per l'esperimento ATLAS e ai 125,3 GeV per l'esperimento CMS
Il bosone di Higgs
... ma per arrivare qui ...
... dobbiamo fare qualche passo indietro ...
We congratulate our colleagues in the CERN accelerator departments for the excellent performance of the LHC machine. We thank the technical and administrative staff at CERN and other CMS institutes, and acknowledge support from: BMWF and FWF (Austria); FNRS and FWO (Belgium); CNPq, CAPES, FAPERJ, and FAPESP (Brazil); MES (Bulgaria); CERN; CAS, MoST and NSFC (China); COLCIENCIAS (Colombia); MSES (Croatia); RPF (Cyprus); MoER; SF0690030s09 and ERDF (Estonia); Academy of Finland, MEC, and HIP (Finland); CEA and CNRS/IN2P3 (France); BMBF, DFG, and HGF (Germany); GSRT (Greece); OTKA and NKTH (Hungary); DAE and DST (India); IPM (Iran); SFI (Ireland);
INFN (Italy)
; NRF and WCU (Korea); LAS (Lithuania); CINVESTAV, CONACYT, SEP, and UASLP-FAI (Mexico); MSI (New Zealand); PAEC (Pakistan); MSHE and NSC (Poland); FCT (Portugal); JINR (Armenia, Belarus, Georgia, Ukraine, Uzbekistan); MON, RosAtom, RAS and RFBR (Russia); MSTD (Serbia); SEIDI and CPAN (Spain); Swiss Funding Agencies (Switzerland); NSC (Taipei); TUBITAK and TAEK (Turkey); STFC (United Kingdom); DOE and NSF (USA).

Individuals have received support from the Marie-Curie programme and the European Research Council (European Union); the Leventis Foundation; the A. P. Sloan Foundation; the Alexander von Humboldt Foundation; the Austrian Science Fund (FWF); the Belgian Federal Science Policy Office; the Fonds pour la Formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (FRIA-Belgium); the Agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie (IWT-Belgium); the Council of Science and Industrial Research, India; the
Compagnia di San Paolo (Torino); Centro Siciliano di Fisica Nucleare e struttura della materia
, ‘Teller Fellowship and LDRD’ ,and the HOMING PLUS programme of Foundation for Polish Science, cofinanced from European Union, Regional Development Fund.
HUGE Thanks to CERN Staff and
CMS Funding Agencies
AACHEN-1, AACHEN-3A, AACHEN-3B, ADANA-CUKUROVA, ALABAMA-UNIV, ANKARA-METU, ANTWERPEN, ATHENS, ATOMKI, AUCKLAND,
BARI,
BAYLOR-UNIV, BEIJING-IHEP, BOGAZICI,
BOLOGNA,
BOSTON-UNIV, BRISTOL, BROWN-UNIV, BRUNEL, BRUSSEL-VUB, BRUXELLES-ULB, BUDAPEST, CALTECH, CANTERBURY, CARNEGIE-MELLON,
CATANIA
, CCCS-UWE,CERN, CHANDIGARH, CHARLES-UNIV, CHEJU,
CHICAGO,
CHONNAM, CHUNGBUK, CHUNGLI-NCU, COLORADO, CORNELL, DEBRECEN-IEP, DELHI-UNIV, DEMOKRITOS, DESY, DONGSHIN, DUBLIN-UCD, DUBNA, EINDHOVEN, FAIRFIELD, FERMILAB,
FIRENZE
, FLORIDA-FIU, FLORIDA-STATE, FLORIDA-TECH, FLORIDA-UNIV,
FRASCATI, GENOVA
, GHENT, HAMBURG-UNIV, HEFEI-USTC, HELSINKI-HIP, HELSINKI-UNIV, HEPHY, IOANNINA, IOWA, IPM, ISLAMABAD-NCP, ISTANBUL-TECH, JOHNS-HOPKINS, KANGWON, KANSAS-STATE, KANSAS-UNIV, KARLSRUHE-IEKP, KHARKOV-ISC, KHARKOV-KIPT, KHARKOV-KSU, KONKUK-UNIV, KOREA-UNIV, KYUNGPOOK, LAPP, LAPPEENRANTA-LUT, LIP, LIVERMORE, LONDON-IC, LOUVAIN, LYON, LYON-CC, MADRID-CIEMAT, MADRID-UNIV, MARYLAND, MEXICO-IBEROAM, MEXICO-IPN, MEXICO-PUEBLA, MEXICO-UASLP,
MILANO-BICOCCA
, MINNESOTA, MINSK-INP, MINSK-NCPHEP, MINSK-RIAPP, MINSK-UNIV, MISSISSIPPI, MIT, MONS, MOSCOW-INR, MOSCOW-ITEP, MOSCOW-LEBEDEV, MOSCOW-MSU, MOSCOW-RDIPE, MUMBAI-BARC, MYASISHCHEV,
NAPOLI
, NEBRASKA, NICOSIA-UNIV, NORTHEASTERN, NORTHWESTERN, NOTRE DAME, NUST, OHIO-STATE, OVIEDO,
PADOVA, PAVIA
, PEKING-UNIV,
PERUGIA, PISA
, POLYTECHNIQUE, PRINCETON, PROTVINO, PSI, PUERTO RICO, PURDUE, PURDUE-CALUMET, RAL, RICE, RIE, RIO-CBPF, RIO-UERJ, ROCHESTER, ROCKEFELLER,
ROMA-1
, RUTGERS, SACLAY, SANTANDER, SAO PAULO, SEONAM, SEOUL-EDU, SEOUL-SNU, SINP, SHANGHAI-IC, SKK-UNIV, SOFIA-INRNE, SOFIA-ISER, SOFIA-UNIV, SPLIT-FESB, SPLIT-UNIV, ST-PETERSBURG, STRASBOURG, SUNY-BUFFALO, TAIPEI-NTU, TALLINN, TASHKENT, TBILISI-IHEPI, TBILISI-IPAS, TENNESSEE, TEXAS-TAMU, TEXAS-TECH, TIFR-EHEP, TIFR-HECR,
TORINO, TRIESTE
, UCDAVIS, UCLA, UCRIVERSIDE, UCSB, UCSD, UNIANDES, VANDERBILT, VILNIUS-ACADEMY, VILNIUS-UNIV, VINCA, VIRGINIA-TECH, VIRGINIA-UNIV, WARSAW-IEP, WARSAW-INS, WARSAW-ISE, WAYNE, WISCONSIN, WONKWANG, YEREVAN, ZAGREB-RUDJER, ZURICH-ETH, ZURICH-UNIV

June 2012: 193 Institutions with ~3300 scientists and engineers
~ 2000 Signing Authors (including students)
Thanks to all of the CMS institutes
A small fraction of the CMS Collaboration: June 2012
Non sappiamo quando l’uomo abbia cominciato a interrogarsi sulle origini del mondo e dei fenomeni naturali che avvenivano attorno a lui; forse già l'uomo primitivo cominciò a chiedersi il perché delle cose per la sua stessa
sopravvivenza.

In genere, l’origine del mondo, era attribuita a un atto creativo, dal nulla o da qualche sostanza primordiale, da parte di una divinità, o altro ente superiore.

Si fece strada l’idea che tutte le cose consistessero di principi contrari e opposti:
Osiride
e
Iside,
in Egitto
Baal
e
Istar
in Mesopotamia
Ahura Madza
e
Arhiman
in Persia
I Cinesi non associavano alcuna divinità ai principi contrari,
yin
e
yang
4000 - 3000 a.C.
http://cheminor.unipa.it/storia_chimica/doku.php
FINE OTTOCENTO
Alla fine dell’Ottocento, quando ancora molti erano scettici sull'effettiva esistenza degli atomi, nuove evidenze sperimentali suggerivano una struttura complessa per quegli atomi che, da Democrito a Dalton, erano sempre stati concepiti
eterni, immutabili, indistruttibili
e, soprattutto,
indivisibili.

Nonostante fosse molto più piccolo di protoni e neutroni, l’
elettrone
fu il primo costituente dell’atomo ad essere individuato e la sua esistenza dovette essere ammessa [
leggi dell’elettrolisi
->
Faraday
(1834);
teoria della dissociazione elettrolitica
->
Arrhenius
(1884)], prima ancora che esso potesse essere effettivamente isolato ed osservato
(J.J.Thomson 1897)
.

Anche la scoperta della radioattività [Becquerel 1896, poi Curie] fecero nascere il sospetto di qualche cosa dentro all'atomo.
La parola definitiva sulla composizione dell’atomo sarebbe venuta, però, dallo studio delle emissioni radioattive di uranio e torio, cui si dedicò, a partire dal 1900, uno dei più brillanti allievi di Thomson, il neozelandese
Ernest Rutherford (1871- 1937)
.
In due articoli, pubblicati nel 1910 e 1911, riportò il comportamento delle particelle alfa dopo l’impatto con lamine d'oro:
quasi tutte attraversavano i fogli senza deviare, come se non esistessero;
alcune di esse erano deflesse solo leggermente;
un numero estremamente ridotto di particelle alfa (1 su 20000) era deviato di un angolo di 90 o più, ed era respinto indietro.
La natura delle radiazioni e il coccodrillo
Rutherford continuò anche durante la I Guerra mondiale la sua personale battaglia contro l’enigma costituito dal nucleo atomico, nonostante i suoi assistenti, si fossero dispersi, impegnati in attività belliche o di supporto.

Nel 1919, studiando gli effetti delle radiazioni alfa su elementi leggeri in fase gassosa, notò che, a seguito delle collisioni con l’azoto, esse venivano assorbite, mentre erano riemessi nuclei di idrogeno.

Ne trasse la conclusione che, nel nucleo di tutti gli atomi, fossero presenti ioni idrogeno con carica unitaria, la più semplice struttura possibile per un nucleo, che costituivano la controparte positiva dell’elettrone, con la sola eclatante differenza nella massa.

Nel 1920 propose di chiamare
protone
questa particella fondamentale, termine proposto nel 1908 per indicare i mattoni con i quali erano costruiti tutti gli elementi.
Le reazioni nucleari
Rutherford avanzò anche l’ipotesi che l’elettrone potesse combinarsi con il nucleo di idrogeno, formando un doppietto nucleare, con carica neutra e proprietà molto diverse da quelle dell’atomo o del nucleo di idrogeno, per il quale William Draper Harkins propose il nome di
neutrone
.

Rutherford avanzò anche l’ipotesi che esistesse un isotopo dell’idrogeno con massa due.

Harold Clayton Urey (1893-1981)
identificò il
deuterio
nel 1931, mentre l’esistenza del neutrone fu confermata nel 1932 da
James Chadwick (1891-1974)
.
BIBLIOGRAFIA
Leon Lederman - La particella di Dio - A.Mondadori (1993)
F.F. Martin - Dall'atomo al cosmo - Collana "Quattro passi nella scienza" - Editoriale Scienza (2002)
Martinus Veltman - Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics - World Scientific Publ. (2003)
Ne'eman Kirsh - Cacciatori di particelle - Bollati Boringhieri (1988)
Frank Close - Particle Physics. A very short introduction - Oxford University Press (2004)
Robert Oerter - La teoria del quasi tutto - Codice Edizioni (2006)
Gerard 't Hooft - Il mondo subatomico - Editori Riuniti (1996)
Articoli vari tratti da "Le Scienze"
Asimmetrie: www.asimmetrie.it

Oggi sappiamo che le intuizioni di Democrito erano giuste e anticipavano concetti che si sono affermati solo tra il 1800 e il 1900.

Certo, il concetto di particella fondamentale è mutato, ma l'idea che esistano dei "mattoni" fondamentali della materia è diventato uno dei cardini della scienza contemporanea.

Tuttavia, nell'antichità la riflessione sull'estremamente piccolo non ebbe grandi consensi e, quindi, sviluppi.

Dante, nella Divina Commedia, non esita a bollare
Democrito come "
colui che 'l mondo a caso pone
",
mettendolo nel Limbo, assieme ad altri filosofi
precristiani.
(Inferno,Canto IV, v. 143)
The neutron has come to be.
Loaded with mass is he.
Of charge, forever free.
Pauli, do you agree?
Fine della fisica?
1928
Cacciatori di particelle
Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984)
Combina la meccanica quantistica e la relatività ristretta per desrivere il moto dell'elettrone:
la sua equazione contiene
anche soluzioni a energia
negativa.
Max Born (1882-1970)
La MQ e la RR sono ben stabilite e confermate.
Si conoscono solo 3 particelle ritenute
fondamentali:
p
,
e
e
fotone
Born afferma che entro sei
mesi la fisica sarà finita.
1930
1930
Decadimento beta
Alcuni materiali decadono emettendo
raggi beta.
Lo spettro di energia delle beta emesse non è compatibile con un decadimento a due
corpi.
Non vale la
conservazione
dell'energia?
1930
Wolfgang Pauli (1900 - 1958)
Per salvare la conservazione dell'energia, suggerisce che nel decadimento venga emessa
una terza particella, ma
neutra: il
neutrino
Il nome neutrino è dovuto a Fermi. Sembra che sia stato dato durante una conferenza come risposta a qualcuno che chiese se la particella ipotizzata da Pauli fosse un neutrone; Fermi rispose: "No, il neutrone è grosso, questa particella è piccola, diciamo un 'neutrino' ".
1931
Antimateria
Dirac ipotizza che la particella a energia negativa prevista dalla sua teoria sia l'antiparticella dell'elettrone: stessa massa, spin ma carica opposta.

Nasce l'idea del
positrone
e dell'antimateria in generale
James Chadwick (1891-1974)
Scopre il
neutrone.
Il meccanismo del legame tra i nucleoni e le leggi del decadimento
diventano una delle
priorità della ricerca.
1932
1932
Carl David Anderson (1905-1991)
Scopre il
positrone
osservando le fotografie delle tracce lasciate in una camera a nebbia dalla
radiazione cosmica
.
A collegare la nuova particcella con la teoria di Dirac furono l'inglese Patrick Blackett e l'italiano Giuseppe Occhialini.
1933
Teoria del decadimento beta
Introduce l'
interazione debole
.
F. ebbe la geniale intuizione di trasferire al nucleo atomico gli stessi concetti della MQ elaborati per spiegare l'emissione dei quanti di energia quando un elettrone passa da un orbitale a un altro.
p
e
n
sono due stati quantici della stessa particella: il
nucleone.
Inviato alla rivista 'Nature' l'articolo sul decadimento beta fu respinto perché "astratto e troppo lontano dalla realtà fisica".
1934
Hideki Yukawa (1907-1981)
Incoraggiato dalle idee di Fermi sull'interazione debole, propose un modello di interazione tra i nucleoni basato sullo scambio di una nuova particella.
Questo doveva avere massa intermedia tra l'elettrone e il protone (Heisenberg propose il nome
di
mesone
) e l'interazione di scambio
doveva essere sufficientemente intensa
da vincere la repulsione coulombiana.
Chi l'ha ordinato? (I.I. Rabi)
Carl D. Anderson e Seth Neddermeyer scoprono nei raggi cosmici una particella di massa 200 MeV.
Inizialmente si pensa alla particella di Yukawa, ma poi viene confermato che si tratta di una particella simile all'elettrone:
muone.
Inviato alla rivista 'Nature' l'articolo sul decadimento beta fu respinto perché "astratto e troppo lontano dalla realtà fisica".
1937
1938
Ernst Stueckelberg (1905-1984)
Osserva che protoni e neutroni non decadono in combinazioni combinazioni dei soli elettrone, neutrino e muone.
La stabilità del protone non è spiegabile in termini della sola conservazione dell'energia e della carica.
Propone che le particelle pesanti abbiano
una legge di conservazione indipendente.
Leptoni
I fisici si rendono conto che il muone è la prima particella di una
seconda generazione
di particelle che non interagisce fortemente: i
leptoni.
Inviato alla rivista 'Nature' l'articolo sul decadimento beta fu respinto perché "astratto e troppo lontano dalla realtà fisica".
1946
1947
Giuseppe Occhialini (1907-1993)
Analizzando le tracce lasciate dai raggi cosmici sulle lastre fotografiche portate ad alta quota, scopre un mesone che interagisce fortemente.
Fermi lo battezza col nome di pione.
1947
Richard Phillips Feynman (1918-1988)
Sviluppa una serie di regole grafiche che aiutano a calcolare le interazioni tra le particelle
1948
Sincro-ciclotrone di Berkeley
Il sicro-ciclotrone di Berkeley produce i primi pioni artificiali.
1949
Mesone K+
Sviluppa una serie di regole grafiche che aiutano a calcolare le interazioni tra le particelle
1950
pione neutro
Viene scoperto il pione neutro
1951
Due nuove strane particelle
Due nuove particelle neutre vengono scoperte nei raggi cosmici: quando decadono lasciano una inconfondibile traccia a forma di V
1952
Ragazzo, se io potessi ricordare il nomedi tutte queste particelle sarei un botanico! (E.Fermi)
Vengono scoperte 4 particelle simili denominate
Chen Ning Yang (1922) - Robert L. Mills (1927 - 1999)
Sviluppano una serie di teorie denominate teorie di "gauge" (scala): saranno alla base dello sviluppo del Modello Standard
1954
1957
Julian Seymour Schwinger (1918 - 1994)
Propone l'unificazione delle interazioni elettromagnetica e debole.
Julian Schwinger, Sidney Bludman, e Sheldon Glashow
In modo indipendente suggeriscono che le interazioni deboli sono mediate da particelle cariche pesanti, successivamente chiamati bosoni
1961
Particle farm
Grazie alla costruzione di nuovi acceleratori (particle farm) il numero di nuove particelle continua ad aumentare.

E' sempre più pressante la necessità di uno schema che organizzi e semplifichi questo "
zoo di bestie
".
1957-59
Nei primi anni '60 del XX secolo la fisica delle particelle era diventata "
brutta
".

La semplicità dei primi anni, in cui ogni atomo era formato da soltanto 3 particelle, aveva ceduto il passo alla confusione dello zoo subatomico.

Era necessario mettere ordine ... ma come?
leptoni
barioni
mesoni
MASSA
SPIN
Fermioni
Bosoni
Altre STRANEZZE
Alcune particelle interagiscono fortemente ma decadono debolmente, altre compaiono sempre a coppie e anche le loro vite medie sono "strane".
Una nuova tavola periodica
Nel 1959 Murray Gell-Mann aveva iniziato a trattare il problema delle interazioni forti dal punto di vista delle simmetrie.

Nel 1961 diede ai fisici la loro nuova tavola periodica
ISOSPIN e STRANEZZA
Per classificare le particelle, Gell-Mann considerò due nuovi numeri quantici:
l'
ISOSPIN
: termine introdotto da Heisenberg nel 1932 per descrivere il protone e il neutrone come due stati di carica diversa di una unica particella, il nucleone;
la
STRANEZZA
: proprietà attribuita alle particelle
The Eightfold Way
Un esagono perfetto!
Gell-Mann chiamò il suo schema Eightfold Way citando un insegnamento buddista
... e le altre particelle?
Un altro esagono!
L'ottuplice sentiero stava funzionando e conduceva alla ...
verità
!
Gell-Mann scoprì che una branca della matematica, fino ad allora senza alcuna applicazione pratica, poteva aiutarlo:
teoria dei gruppi unitari
Così come il successo della tavola periodica di Mendeleev fu l'abilità di predire nuovi elementi a partire dai buchi lasciati, anche il modello di Gell-Mann predisse l'esistenza di una nuova particella e le sue caratteristiche
Altri avevano già tentato la strada di vedere le particelle note come composte da un numero limitato di esse: Fermi, Sakata, tra gli altri, ma i loro modelli erano inconsistenti.

Gell-Mann fu abbastanza spregiudicato da introdurre 3 particelle che nessuno aveva mai osservato e ... a
carica frazionaria
!
u,d,s

Dalla sua grande passione per la lettura e i giochi di parole li chiamò
quark,
traendo spunto dal Finnegans Wake di James Joyce:
Three quarks for Muster Mark.
Il decupletto
Robert Serber, fisico di grande esperienza, chiese a Gell-Mann se avesse considerato il multipletto più semplice: quello a 3 particelle
Tre quark per Mister Gell-Mann
Gell-Mann era consapevole delle critiche che si sarebbe tirato addosso:
perché non si sono mai viste queste particelle?
perché non si è mai osservata una carica frazionaria?

Poteva essere un problema di energie.
Intanto Mister G dettatva le regole sui quark:
sono fermioni di spin 1/2
carica: u=+2/3, d=-1/3, s=-1/3
i mesoni sono composti da 1 quark e 1 antiquark
i barioni sono composti da 3 quark
Le regole dei quark
Tutto va a posto (?)
Grazie al modello a quark, all'improvviso tutto lo zoo subatomico sembrava trovare un'ordine, una spiegazione e una rappresentazione chiara delle interazioni tra particelle; ma ...

Il modello a quark non era esente da problemi: sembrava contraddire il principio di esclusione di Pauli!

Proprio la particella prevista da Gell-Mann, e poi trovata, doveva essere composta da 3 quark s tutti e 3 con lo spin nella stessa direzione (la particella ha spin 3/2).

Inoltre, non diceva nulla sulle forze che legano i quark all'interno delle particelle.
Sapori e

co
lo
ri
La soluzione arriva nel 1972; Gell-Mann e altri propongono che ogni sapore di quark (u,d,s) esista in 3 varianti:
R
,
G
e
B
e i quark si combinano a dare particelle "incolori"
Colori, colla ... fatto? QCD
Poteva sembrare una sorta di imbroglio: viene introdotta una nuova quantità che risolve un problema, ma che è impossibile vedere.

Secondo Gell-Mann, però, c'è di più. La teoria dei colori descrive anche la forza che tiene uniti i quark all'interno delle particelle e predice che questa forza sia trasportata da nuove particelle prive di massa, che con la sua solita irriverenza chiama:
gluons
(da glue=colla) e la teoria
cromodinamica quantistica
(QCD).

Ma come si può credere a qualcosa che non
sarà mai possibile vedere?
La rivoluzione di novembre e Gipsy
Alcuni studiosi si stavano dilettando con l'idea che anche i quark, come i leptoni, fossero organizzati in due generazioni; tuttavia per completare la seconda generazione era necessario un 4° quark: il
charm

La situazione sembrava molto accademica:
SE
si crede ai quark
SE
si crede alla teoria dei colori
SE
si aggiunge un quarto quark
ALLORA
si possono risolvere alcuni problemi anche nelle interazioni deboli

Tutto questo fino al novembre 1974 quando due gruppi indipendentemente dichiararono di aver trovato un nuovo mesone formato da una coppia quark-antiquark
Quark: the next generation
Dopo la "rivoluzione di novembre", l'interesse per i quark esplose.

Nel 1977 venne trovato un 5° quark (bottom) e con esso l'implicazione di una terza generazione.

Il 6° quark (top) venne scoperto nel 1994

Gli esperimenti ormai avevano trovato chiari e forti indizi per l'esistenza dei quark e dei gluoni

La QCD spiega perché quark e gluoni non possono
essere "visti" da soli
La teoria elettrodebole I
La storia dell'unificazione dell'elettromagnetismo con l'interazione debole ha inizio nel 1928 con l'equazione di Dirac, che descrive il comportamento degli elettroni, e nel 1933 con la teoria di Fermi del decadimento beta.

Nel giro di un ventennio, Tomonaga, Schwinger e Feynman sviluppano l'elettrodinamica quantistica (QED): una teoria relativistica di
gauge

rinormalizzabile
che descrive elettroni e positroni che interagiscono attraverso lo scambio di fotoni, senza ipotesi ad hoc.

Nel 1954 Yang e Mills generalizzarono questa procedura al caso delle interazioni nucleari responsabili del decadimento debole.
Parola d'ordine ... ordine!
Interazione elettrodebole e QCD
Interazione
Elettro-Debole

Quantum
Chromo Dynamics
(QCD)
La rottura spontanea della simmetria
Ed ecco che a questo punto entra in scena l'oggigiorno famoso fisico scozzese
Peter Higgs
.

La soluzione proposta si basa sul lavoro teorico svolto indipendentemente, negli anni '60, da Peter Higgs, da François Englert con Robert Brout e da Gerald Guralnik insieme C. R. Hagen e Tom Kibble. Il meccanismo risultante viene indicato con il nome del solo Higgs, per nostra fortuna!
Chi ha il coraggio di inoltrarsi nel mondo delle componenti più piccole dell'universo, o vuole anche
semplicemente parlarne
, non può farlo senza una buona conoscenza delle leggi fisiche che lo governano.

Quindi, quel "semplicemente parlarne" è impresa difficile
, perché le leggi della fisica sono complesse.
Infatti, per apprezzare bene l'arduo rigore logico delle leggi fisiche, non si può fare a meno della matematica.

Tuttavia noi fisici sentiamo il bisogno di raccontare ciò che di bello abbiamo scoperto a chiunque ci voglia ascoltare.
Gerard 't Hooft (Nobel, 1999)
La teoria elettrodebole II

Le teorie di Yang e Mills prevedono che l'interazione debole sia mediata da nuove particelle,
i bosoni mediatori W e Z
, carichi (W+ e W-) e neutro (Z0)
, ma privi di massa.

Il passo successivo fu compiuto nel 1967 da Weinberg, Glashow e Salam che riuscirono ad unificare la forza elettromagnetica e quella debole in un'unica forza, detta
elettrodebole,
nella quale venivano introdotti i rispettivi bosoni mediatori che erano appunto il fotone, il W+, il W- e lo Z0; ma ancora privi di massa.

Per il fotone, questo non era un problema, ma per il W e lo Z sì, come scoperto nel 1983 da Carlo Rubbia: rispettivamente W=80 e Z0=91 GeV, circa 90-100 volte la massa del protone.
Un problema ... pesante!
Sebbene la teoria elettrodebole funzionasse e bene, rimaneva un problema grosso, anzi un problema "pesante"! Infatti la massa dei mediatori doveva essere uguale a zero se si voleva salvaguardare l'invarianza delle leggi fisiche sotto trasformazioni di gauge.

Tuttavia gli esperimenti indicavano qualcosa di completamente diverso, i bosoni mediatori erano piuttosto massivi. Come riconciliare questa fastidiosa discrepanza?

Higgs riuscì a dimostrare che è possibile ottenere una teoria delle interazioni elettrodeboli compatibile con i risultati sperimentali attraverso un "trucco":
la rottura spontanea di simmetria
.
Cinque dei sei vincitori del Premio Sakurai del 2010 per i lavori sulla rottura spontanea della simmetria.
Da sinistra a destra: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, e Brout (manca Higgs). Fonte: www.wikipedia.it
Finchè la pallina rimane ferma nel punto più alto vi è una situazione di perfetta simmetria: ruotando il "cappello" non saremo in grado di individuare nessun punto privilegiato.
Esempio di rottura di simmetria.
Possiamo immaginare, quindi, di sfruttare tale meccanismo di rottura spontanea della simmetria per passare da una situazione in cui l'interazione elettromagnetica e quella debole sono unificate (e tanto i bosoni W e Z che il fotone sono privi di massa) ad un'altra configurazione in cui queste due interazioni appaiono distinte.

Il passo successivo di Peter Higgs è stato quello di imporre che tale teoria fosse nuovamente invariante sotto trasformazioni di gauge locali.

Quali sono le conseguenze?
D'altra parte il fatto che la pallina si trovi nella posizione più alta permessa rappresenta per il sistema lo stato di maggiore energia, per cui la tendenza naturale sarà quella di minimizzare quest'ultima e in presenza di disturbi casuali la pallina scivolerà verso il basso.
Tuttavia dal momento che non esiste una direzione privilegiata, a priori non siamo in grado di dire in quale direzione esatta cadrà la pallina. La scelta della direzione è del tutto casuale, ma una volta che la scelta è stata presa ci ritroveremo con un sistema in cui la simmetria è stata rotta spontaneamente.
Il meccanismo di Higgs
Questo comporta la comparsa di un nuovo campo, a cui è associata una particella dotata di massa,
il campo e il bosone di Higgs
rispettivamente!

Inoltre magicamente ora compaiono anche i termini di massa per i mediatori della forza debole.

Per di più la teoria è ancora invariante sotto trasformazioni di gauge locali.

Naturalmente
questa configurazione non è la sola possibile
, ci saremmo potuti anche ritrovare in un universo in cui tutti i bosoni mediatori sono dotati di massa.

Questa precisa scelta è proprio da imputarsi alla rottura spontanea di simmetria, che tra le tante configurazioni possibili ha fatto sì di selezionarne una particolare.
Alla base del Modello Standard è posto un principio di simmetria chiamata simmetria di gauge (di ricalibrazione). Questo principio di simmetria consiste nell'affermare che le leggi che descrivono le interazioni fondamentali sono invarianti (non cambiano forma) se operiamo certe trasformazioni sulle "coordinate" (presta attenzione che queste coordinate non sono le semplici coordinate spaziali a cui siamo abituati!). Queste trasformazioni possono essere globali o locali. Cosa significa che una trasformazione è globale? Supponiamo che durante la notte tutte le dimensioni dell'universo diventino cento volte maggiori, includendo anche ovviamente le distanze tra gli oggetti stessi. Al mattino sarebbe impossibile rendersi conto di trovarsi in un universo modificato, in quanto se uno volesse appurare questo cambiamento munito di righello tenterebbe di misurare gli oggetti intorno a sè. Ma questa operazione sarebbe vana, in quanto anche il righello durante la notte si sarà espanso di cento volte. Cosa vuol insegnarci questo esempio? Aumentare tutte le distanze dell'universo di una stessa quantità è una trasformazione globale che lascia l'universo invariato, nel senso che un osservatore è incapace di distinguere le due situazioni. Potete già immaginare a questo punto che cosa si intenda con il termine trasformazione locale. Riprendendo l'esempio precedente, fare una trasformazione locale significherebbe che solo le dimensioni degli oggetti di una certa porzione dell'universo, ad esempio la stanza in cui ti trovi (tu compreso!), vengono espanse di cento volte. Naturalmente al risveglio, uscendo fuori e incontrando un tuo amico, realizzerai immediatamente di essere cento volte più grande rispetto a lui e che quindi, questa trasformazione locale, non ha lasciato per nulla invariato il nostro universo! A questo punto ti potrà sembrare strano il fatto che le leggi della fisica delle interazioni fondamentali sono invece invarianti sotto una certa classe di trasformazioni locali, dette appunto trasformazioni di gauge.
Ma cosa è che lasciamo invariante sotto queste trasformazioni? I fisici hanno imparato a condensare le conoscenze accumulate negli anni e riassunte nel Modello Standard in poche espressioni matematiche chiamate Lagrangiane, e sono proprio queste espressioni a risultare invarianti.
Le simmetrie di gauge
Il Modello Standard (MS) è una teoria quantistica, relativistica di gauge che descrive le particelle elementari e le loro interazioni.


Ha riscosso parecchio successo tra i fisici per la sua forte capacità predittiva e per la sua straordinaria accuratezza.

Inoltre ha il pregio di andare nella direzione dell'unificazione delle forze: forza
elettro-debole
.

La tendenza all'unificazione è sempre stata ricercata dai fisici, in quanto riuscire a comprendere che fenomeni apparentemente distinti in realtà sono la manifestazione di una stessa origine è
sintomo di una comprensione più profonda della natura
.

Esempi precedenti
di unificazione riguardano
la
gravità
: Newton attribuì ad un'unica forza la caduta dei gravi e il moto dei pianeti (gravitazione universale);
l'
elettromagnetismo
: Maxwell, con le sue equazioni, unificò le forze elettrica e magnetica, che sino ad allora venivano considerate molto diverse tra loro, in un'unica interazione denominata elettromagnetica.

Il Modello Standard ... finalmente!
Voglio sapere come Dio ha creato il mondo. Non sono interessato a questo o quel fenomeno: voglio conoscere i Suoi pensieri; tutto il resto non sono che dettagli.

Albert Einstein

Il MS è, quindi, una teoria di grande successo.

D'altra parte tale modello risultava (almeno forse fino al 4 Luglio) fastidiosamente incompleto e la ragione di questa incompletezza era da imputarsi proprio alla non osservazione sperimentale di un tassello fondamentale:
il bosone di Higgs
!

Oltre al dettaglio di non incorporare le interazioni gravitazionali.

Come il Diavolo divenne Santo per ... vendere più libri
In tutto il mondo, a livello divulgativo, il bosone di Higgs è conosciuto come la "particella di Dio".

L'appellativo nasce da una mera necessità editoriale compiuta sul libro scritto da Leon Lederman "The God Particle" del 1993.

Lederman aveva pensato a un titolo meno "politically correct", ma sicuramente più significativo tra gli addetti ai lavori, scelto dall'autore in riferimento alla difficoltà della sua individuazione:
"The Goddamn particle"

L'editore decise di "riabilitare" il bosone; il resto è storia ... o quasi
Cosa è e come "funziona" l'Higgs
Come è stato scoperto
Una teoria di unificazione
Alcune cosette inspiegabili
Ma è così perfetto il MS? Beh a guardarlo attentamente ci sono alcune cose che non sono ancora spiegate:

numero di generazioni di particelle
: il fatto che siano 3 per i leptoni e 3 per i quark è impressionante, anche perché se fossero in numero diverso il MS non sarebbe rinormalizzabile. Fortunata coincidenza o c'è qualche ragione più profonda?

parametri liberi
: nonostante la bellezza del meccanismo di Higgs per la rottura spontanea di simmetria e il suo spettacolare successo nella previsione delle masse di W e Z0, il MS rimane un modello con una ventina di parametri che vanno aggiustati manualmente (le costanti di accoppiamento tra il cadi Higgs e i leptoni, i quark, ecc.)

violazione della parità
: ossia l'Universo non è uguale se guardato allo specchio, cioè distingue tra destra e sinistra;

dove sono finiti i neutrini destrorsi?
Oggi sappiamo che i neutrini rilevati sono solo levogiri, ma l'oscillazione tra i tre tipi impone che abbiano massa; ma una particella massiva non può essere solamente di un tipo;

la materia oscura
: il MS non rende conto dell'85% circa della materia dell'Universo, che non può essere materia ordinaria (protoni, neutroni, ecc.);

Alcuni sostengono che sia stata un'astuta mossa del Nobel Leon Lederman.

A quel tempo, Lederman era direttore del Fermilab di Chicago e sperava di ottenere i finanziamenti per costruire in Texas l'enorme acceleratore Superconducting Super Collider (mai costruito, però).

Un nome come particella di Dio, infatti, poteva ammorbidire i deputati del Congresso.
Lanciando fasci di protoni ad altissima energia all’interno degli acceleratori di particelle e facendoli scontrare.

Dalle collisioni si generano molte particelle (leptoni, quark, bosoni W e Z, ecc), con caratteristiche energetiche note.

Lì in mezzo potrebbe formarsi anche l'Higgs (1 ogni 1000 miliardi di eventi).

Nel "caos" di eventi che si verificano, gli scienziati cercano quelli che lasciano una particolare "firma".

A giugno 2012 avevano prodotto qualcosa come 600 mila miliardi di eventi
Fotoni
Bosoni Z0
Quark bottom
Bosoni W
Essendo poco stabile, l'Higgs decade quasi immediatamente, quindi non si può sperare di osservarlo per caso nell'Universo.

Per lo stesso motivo non può essere osservato direttamente nell'enorme mucchio di particelle prodotte a ogni collisione nell'acceleratore, ma bisogna guardare ai suoi prodotti di decadimento.

Le particelle cui dà luogo, però, possono formarsi in molti modi diversi.
Perché è così difficile osservarlo?
Una traccia. In corrispondenza del valore di 125 GeV, due gruppi dell'Lhc (le collaborazioni Atlas e Cms), indipendentemente, avevano osservato, lo scorso dicembre, un eccesso di segnali. E 125 GeV è uno di quei valori compatibili con l'Higgs.

Anche i dati del Tevatron di Batavia, diffusi lo scorso marzo, sono in accordo con quelli dell'Lhc.

Il picco di segnali, però, poteva anche essere un falso positivo: un errore o semplicemente un caso.

O anche, per ipotesi, la traccia di una particella completamente diversa da quella immaginata. Il meccanismo di Higgs non predice la massa del bosone, ma dà un range di masse possibili; i vari esperimenti condotti finora hanno escluso molti valori e rimane plausibile solo il range 114-141 GeV.

Ora è arrivata la conferma di un segnale nella regione di massa di 126 GeV da parte di Cms e di Atlas.
Cosa era stato trovato finora?
Gli scienziati misurano la significatività statistica delle loro misure, cioè si chiedono quale sia la probabilità che quel picco a 126 GeV sia frutto del caso e non dovuto alla reale formazione del bosone di Higgs.
Ora, dire che gli scienziati hanno una sicurezza di 5 sigma che la traccia lasciata dalla particella nei due rilevatori sia quella di Higgs, significa che c’è una probabilità di errore dello 0,000028%, cioè, se alla fine si trovasse che non è la particella di Higgs, vorrebbe dire che si è incappati in un evento sfortunato estremamente raro.

Ulteriori misure stanno spingendo
la probabilità ancora più in basso:
a fine luglio si era arrivati a quasi
6 sigma.
Come si passa da traccia a prova?
No, non siamo sicuri.
A parte il fatto che nella scienza c'è sempre molto poco di sicuro (le cose si conoscono con certo livello di confidenza, o, se preferite, con una certa probabilità - possibilmente piccola - di essersi sbagliati), è troppo presto per poter affermare che questa nuova particella sia effettivamente il bosone scalare previsto dal meccanismo di Higgs.

Quello che sappiamo è che
si tratta di un bosone
, altrimenti non potrebbe manifestarsi nei decadimenti che abbiamo osservato.

Sappiamo anche che
si è fatto vedere con modi che assomigliano molto a quelli che ci attenderemmo
se questa particella fosse proprio il (o un) bosone di Higgs.

Solo il tempo e più dati ci diranno se si tratta proprio del bosone previsto da Peter Higgs e compagnia, o una sua variante molto simile.
Siamo veramente sicuri che sia il bosone di Higgs?
Alcune domande ... prima di andare a dormire
No, ci sono altre teorie (ad es. dimensioni extra dello spazio-tempo) che prevedono l'esistenza di meccanismi diversi per spiegare come le particelle acquistino massa.

Inoltre, non sappiamo ancora se il bosone di Higgs sia una particella elementare, come postulato dal modello standard o qualcosa di più complesso.

Non sappiamo nemmeno se sia l'unica o se ne devono esistere altre.
Il bosone di Higgs è l'unica risposta possibile al problema della massa?
I dati raccolti fino ad ora non sono stati completamente analizzati.

A dispetto della sua forte evidenza, le proprietà dell'Higgs vanno esplorate meglio, per comprendere e migliorare il modello.

Nel frattempo LHC continuerà il suo programma di ricerca di cui l'Higgs è solo una parte: l'origine e il destino dell'universo, perché la materia prevale sull'antimateria, che cosa è la materia oscura, testare la validità di teorie oltre il MS.
Quali sono i prossimi passi?
Il bosone di Higgs completerà la nostra descrizione della materia visibile nell'Universo, e dei processi fondamentali che governarono il Big Bang nei primissimi istanti di vita.

Il bosone di Higgs potrebbe aver avuto un ruolo nellla creazione della materia nell'Universo e potrebbe essere legato alla materia oscura.

Potrebbe rivelare indizi su come l'Universo si è espanso alle attuali dimensioni.

Inoltre, che cosa determina la massa del bosone di Higgs e la densità di energia oscura?
Qual è l'impatto del bosone di Higgs sull'attuale descrizione dell'Universo?
Chiesi a Fermi se non fosse colpito dall'accordo tra i nostri numeri calcolati e i suoi numeri misurati.

Egli rispose: "
Quanti parametri arbitrari hai utilizzato per i calcoli?
"
Ho pensato per un momento sulle nostre procedure e dissi: "Quattro".

Egli disse: "
Ricordo che il mio amico Johnny von Neumann usava dire:
'con quattro parametri posso descrivere bene un elefante e con cinque posso fargli muovere la proboscide'
.
"

Con questo, la conversazione era finita.

Freeman Dyson
... dimenticavo ...
il MS non comprende la gravitazione !!
"Mi aspetto che, tra dieci o quindici anni, ne sapremo molto di più: sapremo tutto? E' più probabile, secondo me, che man mano che impareremo nuovi fatti aggiuntivi riusciremo anche a comprendere più chiaramente quante cose non sappiamo e, speriamo, ad acquistare il giusto grado di umiltà".
Franck Wilczek (Nobel, 2004)

Grazie per l'attenzione e...
... spero non abbiate
la stessa reazione

Sarebbe meglio dire massa di 126 GeV/c^2 in quanto l’eV è una misura di energia;

dalla relazione di Einstein E0=mc^2 si ha l’equivalenza massa energia.

1 GeV = 10^9 eV;

1 eV = 1,6x10^(-19) J

Il protone ha una energia di massa pari a circa 0,9 GeV

Una pallina da pingpong (2,5 g) = 1x10^24 GeV
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