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Quasi 50 anni dopo la sua previsione, i fisici delle particelle hanno finalmente catturato il bosone di Higgs. Quindi il Comitato Nobel ha assegnato il premio di fisica di quest’anno a due dei teorici che hanno iniziato questa caccia alle particelle. François Englert della Libera Università di Bruxelles (ULB) e Peter Higgs dell’Università di Edimburgo, Regno Unito, hanno derivato in modo indipendente un modello che spiega perché le particelle non sono senza massa, e questo modello richiede l’esistenza del bosone di Higgs. Entrambi i documenti sono stati pubblicati nel 1964 in Physical Review Letters.

Il bosone di Higgs è l’ultimo pezzo del modello standard della fisica delle particelle da osservare, dopo decenni di ricerche. Nel giugno 2012, il CERN ha annunciato con molta clamore che il Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra aveva scoperto una particella con le giuste proprietà per essere il bosone di Higgs, il che significava che i ricercatori avevano confermato una teoria fondamentale della massa.

Il bosone di Higgs non fornisce tecnicamente altre particelle di massa. Più precisamente, la particella è una manifestazione quantizzata di un campo (il campo di Higgs) che genera massa attraverso la sua interazione con altre particelle. Ma perché la massa non poteva essere assunta come un dato?

La risposta risale al lavoro precedente nella teoria quantistica dei campi. I campi quantistici sono simili a campi più familiari, come i campi elettrici e magnetici. Ma i campi quantici contengono stati eccitati che osserviamo come particelle. Questi campi possono essere suddivisi in campi di materia (le cui particelle sono elettroni, quark, ecc.) e campi di forza (le cui particelle sono fotoni, gluoni, ecc.). Alla fine del 1940, i teorici hanno dimostrato che una teoria quantistica dei campi di fotoni ed elettroni potrebbe spiegare con successo le interazioni elettromagnetiche ad alta energia.

Tuttavia, la teoria ha avuto problemi a modellare le interazioni nucleari. Il corto raggio della forza nucleare debole implicava che le sue particelle corrispondenti avevano massa, in contrasto con il fotone senza massa, la particella associata ai campi elettromagnetici. Semplicemente attaccare una massa su una particella che trasporta forza ha avuto effetti disastrosi, causando certe previsioni divergere all’infinito. Nei primi anni 1960, i teorici erano impegnati alla ricerca di modi alternativi che la massa potrebbe essere introdotto nella teoria.

La soluzione formulata da Higgs, Englert e Robert Brout (che ha lavorato con Englert all’ULB ma ora è deceduto) propone che tutto lo spazio sia riempito con un campo che interagisce con le particelle di forza debole per dare loro massa. Lo fa perché si presume che il campo non sia zero nello spazio vuoto. Questo stato fondamentale diverso da zero viola una simmetria considerata fondamentale per la teoria quantistica dei campi. Il lavoro precedente aveva dimostrato che questo tipo di rottura della simmetria ha portato a una particella senza massa e senza spin che è stata esclusa dagli esperimenti . Englert, Brout e Higgs hanno mostrato come si potrebbe far scomparire questa particella indesiderata accoppiando il campo di riempimento dello spazio al campo di forza debole. Quando hanno elaborato tutte le interazioni, hanno scoperto che le particelle di forza avevano effettivamente una massa, e la particella indesiderata, senza massa, senza spin era essenzialmente assorbita dalle particelle deboli. Queste particelle hanno ottenuto un terzo stato di spin come risultato, e l’unica particella rimasta senza spin era il massiccio bosone di Higgs. Una teoria simile è stata sviluppata da un terzo team di teorici nello stesso anno .

Il lavoro successivo ha mostrato che il meccanismo di Brout-Englert-Higgs (o “meccanismo di Higgs”, in breve) potrebbe dare massa non solo alle particelle deboli, ma anche agli elettroni, ai quark e ad altre particelle fondamentali. Più una particella interagisce fortemente con il campo di Higgs, più è massiccia. È importante notare, tuttavia, che la maggior parte della massa nelle particelle composite, come protoni, nuclei e atomi, non proviene dal meccanismo di Higgs, ma dall’energia di legame che tiene insieme queste particelle.

“Brout e Englert e Higgs hanno formulato un’idea molto intelligente, ora conosciuta come il meccanismo di Higgs”, afferma Michael Turner dell’Università di Chicago. “Fornisce una spiegazione per una delle domande più semplici che si possono porre: perché le particelle hanno massa? Una domanda così semplice – ma molto profonda-che molti non pensano nemmeno di farla.”Per convalidare questo meccanismo, i fisici delle particelle hanno costruito l’LHC, la macchina più grande e tecnologicamente sofisticata mai costruita, afferma Joseph Incandela, portavoce dell’esperimento CMS, che è stato uno dei rivelatori che ha individuato il bosone di Higgs. “Penso che la gente guardi questo e senta che la fisica delle particelle ha tirato fuori qualcosa come uno sbarco sulla luna qui”, dice.

–Michael Schirber

Michael Schirber è un editor corrispondente per la fisica con sede a Lione, Francia.

1. J. Goldstone, “Field theories with Superconductor Solutions”, Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam e S. Weinberg, “Broken Symmetries”, Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, CR Hagen, e T. W. B. Kibble, “Global Conservation Laws and Massless Particles,” Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964)

Ulteriori Informazioni

• il Premio Nobel annuncio con accompagnamento di sfondo

  Focus storia nel 2008 il Premio Nobel per la teoria della rottura di simmetria

  Breve Storia del Meccanismo di Higgs, dall’Università di Edimburgo

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