Cos'è il Bosone di Higgs e perché i fisici lo cercano?


Simulazione di un evento in cui viene rilevato un bosone di Higgs. Credit: CERN
Il Large Hadron Collider(LHC) al CERN, lungo la frontiera tra la Svizzera e la Francia, è forse ad oggi la cosa più avanzata tecnologicamente che l'uomo abbia mai costruito nella sua storia. Non solo, ma si tratta anche del più grande investimento in campo scientifico e tecnologico dell'Europa e tra i più grandi della storia, essendo costato svariati miliardi di dollari. Tuttavia davanti alle risposte che potrebbe dare, il suo costo è minimo. Quello che il LHC sta facendo è spingersi oltre i limiti attuali della fisica e sta letteralmente aprendo le porte ad una delle più grandi rivoluzioni scientifiche di sempre. Tra le tante domande e le tante ricerche in cui il LHC è coinvolto, si parla moltissimo di un misterioso "bosone di Higgs". Ma cos'è in realtà ? e perché a noi dovrebbe importarci qualcosa?

L'anello lungo 27 km di magneti super raffreddati accelera particelle vicino alla velocità della luce e le fa collidere dentro al più avanzato rivelatore di particelle del pianeta. Tutto questo nello sforzo di capire perché la materia ha massa e per far chiarezza su altre ipotesi come buchi neri microscopici e la materia oscura.

Uno dei rivelatori usati al LHC è ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS) che,tra le altre cose, sta indagando sull'origine della massa sotto la forma della misteriosa particella conosciuta come il bosone di Higgs.
ATLAS misura le collisioni tra due protoni a velocità altissime. Quando questi protoni collidono creano delle particelle che durano soltanto alcune frazioni piccolissime di tempo, e ATLAS le riesce a rilevare e analizzare, alla ricerca del Campo di Higgs.

Immagine dell'interno del rilevatore ATLAS, presso il LHC. Credit: CERN

Perché una particella ha una massa? Il concetto di massa è sicuramente fondamentale nella fisica,tuttavia non abbiamo ancora un modello dimostrato per spiegare cos'è che fa ottenere massa alle particelle. Le ipotesi sono tante, e tra queste nei anni è spicata quella del Meccanismo di Higgs, proposta da un simpatico fisico scozzese di nome Peter Higgs, grazie ad un idea di Philip Anderson. Questo meccanismo è quello che conferisce secondo lui la massa a tutte le particelle elementari.

Si tratta di alcuni dei concetti più difficili con cui si può avere a che fare nella fisica, quindi per farvi capire meglio di cosa si tratta, userò un illustrazione creata da David Miller, scienziato dell'Università di Londra.
Immaginate una stanza piena di politici. Miller descrive questi politici come 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, loro si stringono l'uno accanto all'altro vicinissimi a lei, 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.

sketch sull'analogia usata da Miller

Visto che ci siamo, ecco una seconda famosa analogia: pensate ai giocatori schierati sul campo di calcio per una partita. Sono tutti accomunati dalla loro presenza sul campo e dal fatto di poter giocare con la palla; quindi campo e palla sono gli elementi unificanti della situazione. Inoltre, considerate che prima della partita, ogni giocatore è considerato uguale dal punto di vista delle abilità e caratteristiche, e poi la loro interazione con campo e palla che fa venir fuori le loro caratteristiche, ma prima del fischio d'inizio, si può dire che sono in completa simmetria. Ora, è come se Higgs avesse teorizzato una partita della massa che ha come protagoniste le particelle, identificando di questa partita il campo, la palla e le regole di gioco. Ovvero che ogni particella, che ne era originariamente priva, ha acquisito uno specifico valore di massa in base a come ha interagito con un nuovo e particolare tipo di bosone, venendo meno in tal modo o, come viene detto in fisica, rompendosi la simmetria iniziale. Sulla base di tale meccanismo la teoria di Higgs ci ha permesso per un tipo di particelle, i bosoni, di "vedere" la partita, dandoci la possibilità di giustificare pienamente i voti della pagella, ossia, nel nostro caso, le misure sperimentali; per l'altro tipo di particelle, i fermioni, con modalità differenti, di conoscere in modo più indiretto lo svolgimento della partita, consentendo conclusioni meno rigorose.

simulazione di un campo di Higgs che crea massa

Va aggiunto che presupposto della teoria è anche che il campo e la palla si trovino ovunque nell'universo, vuoto compreso, ciò che avrebbe reso, ed ancora renderebbe in appropriate condizioni, il giocare la partita per le particelle un evento irrinunciabile. Esistono poi delle ragioni fisico-teoriche ben precise, ma che è piuttosto difficile semplificare, per cui l'acquisizione della massa secondo le modalità ipotizzate sarebbe avvenuta in una fase precocissima della evoluzione del nostro universo.

Quello che si cerca di fare al LHC, in questo caso, è ricreare condizioni simili a quelle del Big Bang, in modo da osservare in diretta il fenomeno che da massa alle particelle, previsto dalla teoria di Higgs. In caso di successo, il bosone di Higgs sarebbe visto come quella cosa che muovendosi crea intorno a se massa.

Vista 3D dell'interno dell'Large Hadron Collider. Potete notare i raggi al suo interno. Credit: CERN/LHC

Ed eccoci alla seconda questione. Perché dovrebbe importarci qualcosa ? Beh la mia risposta è che la ricerca del sapere, l'amore per il sapere fa profondamente parte del nostro essere umani, e siamo alla ricerca del sapere più che di un obiettivo utile. Ma questa è la mia risposta, in quanto filosofo, e non nego l'importanza ovvia delle utilità ricavabili da esperimenti come questi.
Tuttavia è impossibile dire quali sviluppi tecnologici e scientifici ci offrirà il LHC, ma quelle che tutti questi scienziati stanno studiando sono le leggi fisiche più basilari e importanti, che descrivono tra le tante cose la materia stessa, e la sua natura. Riuscire a capire meglio le regole della fisica, ci permetterà anche di usarle molto meglio.

La scienza è un po un giocare a indovinare, quando si tratta di applicazioni che possono nascere da esperimenti fisici. E' davvero difficile immaginare l'infinità di applicazioni che potrebbero nascere dal uso di nuove scoperte fisiche. Jon Butterworth, uno dei fisici del CERN che lavora al rilevatore ATLAS, ha citato uno dei fisici più famosi del XIX°secolo, Michael Faraday,riguardo alle applicazioni pratiche che si potevano trarre dai suoi esperimenti: "non ho idea di come potrebbero essere utili in futuro, ma sono sono sicuro che i politici troveranno il modo di tassarle".

Brian Cox, altro fisico del ATLAS, ha dichiarato in un intervista al BBC: "Il LHC è parte di un viaggio che stiamo facendo da ormai 100 anni, in cui cerchiamo di capire e scoprire i mattoni per la costruzione della materia e le forze che servono per tenerli insieme. Questo viaggio, ci ha offerto, per esempio, il transistor e i cip al silicio, due delle cose su cui tutta l'elettronica moderna si basa, e le cui implicazioni sono state enormi, inoltre ci ha dato il modo di sconfiggere persino alcuni tipi di cancro, e la lista potrebbe continuare a lungo."

La NASA anche ha dato vita a rivoluzioni tecnologiche simili, nella sua impresa scientifica spaziale, creando la tecnologia necessaria alle telecomunicazioni, il memory foam, filtri per l'acqua, e la tecnologia senza fili. E questo è per dire alcune delle cose più banali che usiamo sempre ma che pochi sanno da dove sono originate.
E' quindi impossibile dire quali saranno i sviluppi che verranno dalla ricerca avanzata come nel caso del LHC.

Una delle cose però che potrebbe davvero rivoluzionare la nostra esistenza, è la fusione nucleare controllata. Praticamente si tratterebbe della stessa energia del Sole, il che ci offrirebbe energia pulita e gratuita per sempre. A differenza della fissione nucleare, usata per le attuali centrali nucleari, dove un nucleo atomico viene scisso, liberando energia, nel caso della fusione, due nuclei atomici verrebbero spinti l'uno contro l'altro fino alla fusione, e questo libererebbe un enorme quantità di energia. Non ci sarebbero i pericoli e rischi della fissione, dato che non c'è alcun rischio di reazioni a catena come nel caso di Chernobyl, e non ci sarebbe alcun modo di usare questa tecnologia per armi, per non parlare del fatto che non ci sarebbero neanche le scorie di adesso.

La fusione nucleare è infinitamente difficile però da ottenere e tenere stabile. Quello che si cerca di fare è spingere due nuclei atomici l'uno conto l'altro, nonostante entrambi abbiano una carica positiva. La forza repulsiva è enorme, quindi dovresti fornire enormi quantità di energia per compensare. La carica repulsiva contro cui si lotta fa parte della forza elettromagnetica, quella che porta i fotoni insomma. Una volta che si è riusciti a far avvicinare abbastanza i due nuclei(circa il diametro di un protone di distanza) interviene la forza Forte, che attira i nuclei l'uno contro l'altro nonostante la carica repulsiva. La Forza Forte è circa 100 volte più potente di quella elettromagnetica, quindi l'energia guadagnata dall'attrazione della forza Forte è più grande dell'energia necessaria per spingere i due nuclei vicini. Ed ecco che hai un energia extra disponibile.
L'energia extra liberata deve andare da qualche parte, e quindi il nuovo nucleo deve liberare un neutrone o protone, in base al tipo di reazione avuta.

Grafico della fusione all'interno delle stelle come il Sole. Credit: wikimedia

L'attuale enorme problema con questa tecnologia è appunto la quantità enorme di energia necessaria nel primo luogo, e nel secondo il fatto che crea temperature altissime.
Un gruppo di scienziati e fisici da tutto il mondo, lavora al ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) in Francia, dove stanno cercando i modi in cui risolvere i problemi relativi alla fusione.

Ed è qui che entra in gioco il LHC. Riuscire a capire meglio come questo tipo di interazioni avvengono, e conoscere la natura delle particelle quantistiche coinvolte, potrebbe offrire nuovi modi di usare la fusione. Una delle più recenti divisioni create all'interno del CERN, ha come obiettivo riuscire a raffreddare la fusione nucleare, e lavora in stretto contatto con i fisici del LHC e del ITER.

Cosi, il sistema di raffreddamento sviluppato al CERN verrà usato al ITER, che ha come obiettivo quello di creare il primo prototipo di reattore a fusione pienamente funzionante entro il 2040.

In conclusione, quello che sta succedendo al LHC in questi tempi, sta letteralmente riscrivendo i libri di fisica e sta rivoluzionando il modo di fare esperimenti fisici. Il LHC sta producendo collisioni di diversi ordini di grandezza più potenti di quelle mai ottenute, quindi gli scienziati sono al lavoro sul cercare di tirare fuori quanti più dati possibili, e prima di pensare alle future possibili applicazioni, al CERN/LHC stanno cercando di dare le grandi risposte alle grandi domande della fisica: origine della massa, materia oscura, nascita del universo e big bang, altre dimensioni possibili, e tante altre.

http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs3.htm
http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html
http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs1.htm

20 risposte a “Cos'è il Bosone di Higgs e perché i fisici lo cercano?”

  1. Roberto

    Bellissimo l'articolo.
    E hai seguito le richieste in tre giorni, grandissimo 😀

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    • ooh,ti ringrazio molto 😀

      sono contento ti sia piaciuto !! Ce ne saranno tanti altri in arrivo nelle prossime settimane .

      Rispondi
  2. pensare che l'uomo 50 anni fa camminava quasi scalzo.

    Non so come ringraziarvi per questi bellissimi articoli..

    grazie matteo.....

    Rispondi
    • e di che! sono felice che ti sia piaciuto !! Grazie per i complimenti, e per il commento ^^

      sono d'accordo che i progressi fatti negli ultimi decenni sono davvero enormi.
      Sono convinto che,storicamente,stiamo vivendo nel bel mezzo di una epoca d'oro dell'astronomia e della scienza in genere, e siamo alle soglie di una grandissima rivoluzione scientifica

      Rispondi
  3. Complimenti per l'articolo,non è facile spiegare concetti fisici così complessi,l'uso degli esempi è davvero originale.Spero ce ne saranno altri.ciao buon lavoro

    Rispondi
  4. Molti sostengono che la ricerca di base sia inutile, specie in Italia, infatti il nostro governo la penalizza.
    Per quanto mi riguarda l'uomo è come un bambino che si sveglia in un posto nuovo, affascinante ma molto strano,
    sarebbe più che naturale per quel bambino cercare di capire: dove? Come funziona questo nuovo ambiente? e anche
    (sempre se la domanda ha un senso) Perché?.
    Per come la vedo io sarebbe naturale passare tutta o parte della vita a cercare di dare una risposta a questi quesiti,
    invece ci ostiniamo a vivere in una sorta di algoritmo reiterato dalla nascita alla morte, quando non facciamo di peggio.
    Non riesco a capire perché è così raro trovare un mio simile con il mio stupore e le mie curiosità.
    I non ho fede non per scelta politica, ma perché la mia logica me lo impedisce e il dubbio che ne deriva mi
    porta a pormi continuamente delle domande, ragione per cui trovo la ricerca del CERN indispensabile per l'essere umano,
    trovo anche utilissimi articoli come questo adatti anche a chi come me non posseggono il linguaggio matematico.

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  5. grazie bell'articolo
    però voglio sottolineare che penso per mancanza di umiltà e di capacità reale di collaborare per l'obiettivo comune dell'avanzamento dell'umanità e per altri motivi..non si ascoltano le idee a disposizione quando è il momento e si continua sulla stessa pista per incapacità di ridimensionare forse il proprio ego, ma nel frattempo si spendono miliardi di energie comuni per non ascoltare quello che non si vuole ascoltare,almeno da un secolo
    tipo
    http://etleboro.blogspot.com/2006/09/la-teoria-dellenergia-cosm_115736120998415871.html
    http://www.cheniere.org/references/maxwell.htm
    http://www.youtube.com/watch?v=SShypQnkXBA

    Stessa cosa possiamo ora dire per la questione del "riscaldamento globale"
    Questo non va bene e soprattutto nel mondo della scienza dove dovrebbe dominare il buon giudizio e l'intelligenza e la coscienza

    Rispondi
    • le ipotesi di cui parli sono soltanto alcune delle migliaia di altre ipotesi diverse. vedi, non c'è alcun complotto oscuro dietro. Il problema è che vanno provate, e se anche,come nel caso del bosone di Higgs, sulla carta sembrano funzionare, non è affatto detto che poi sia giusto anche nella realtà. Per quello gli scienziati del LHC stanno cosi assiduamente lavorando alla sua ricerca.
      e con tutto il rispetto del mondo, il professore del video è a dir poco ridicolo, in quando mancanza proprio delle basi della fisica.
      come anche il "riscaldamento globale" non è una strana cospirazione, bensì un fenomeno molto complesso e sotto gli occhi di tutti.

      Credo che tutti i fisici e scienziati che lavorano attorno al mondo, e si dedicano giorno e notte per il progresso scientifico si meritino molta più fiducia di quanto non gliene dai. anche se non dico che devi fidarti ovviamente, le ricerche sono pubbliche, puoi fare come me, e andare a leggerle.

      Tesla è sicuramente stato un grandissimo fisico, ma non era per niente a conoscenza di cose relative alla quantistica, o la relatività, o il resto della moderna fisica delle particelle...

      Capisci che anche Newton ha ragione con la sua teoria della gravità, ma la giusta spiegazione nn è la sua ma quella di Einstein.. per ora, fino alla prossima ovviamente

      Rispondi
  6. perseo mazzoni

    [quote]
    Sono convinto che,storicamente,stiamo vivendo nel bel mezzo di una epoca d’oro dell’astronomia e della scienza in genere, e siamo alle soglie di una grandissima rivoluzione scientifica
    [/quote]

    Queste parole mi hanno fatto esaltare e sognare per un minuto buono! grazie mille!!

    E grazie per l'articolo, veramente interessante! Ancora complimenti...ormai seguo il blog praticamente ogni giorno :)

    perseo

    Rispondi
    • 😀 sono contento che abbiano fatto questo effetto !!
      :) grazie per i complimenti. E sono felicissimo che mi segui, mi invoglia ancor di più a continuare la ricerca di novità nel mondo dell'astronomia,e pubblicarle qui

      Rispondi
  7. O letto con piacere l'articolo che per puro caso ho incontratrato nel mio navigare.
    Ho lavorato dal 1988 al 1997 al progetto IGNITOR (macchina a fusione nucleare progettata dal Pro. Coppi) e dal 1995 al 1999 alla macchina ITER.....cosi' come l'avete presentata effettuando per entrambi i progetti le prime prove sperimentali su componenti presso le officine della CIEI (marchio del gruppo Fiat che operava a Torino)
    Per IGNITOR ho condotto la campagna di sperimentazione a temperatura normale e griogenica delle piastre coniche deputate alla realizzazione del carico di cerchiaggio alla macchina di contrasto alla forza espulsiava dovuta all'accensione del contenimento elettromagnetico del plasma).
    Per ITER ho partecipato alla costruzione ed all'assemblaggio ed alle prove dei punti di sostegno della camera di contenimento del plasma (quello che nel disegno e' di colore Viola) cosi' come era sta ta progettata nella stesura del progetto della macchina in quegli anni.
    Da alcuni anni sono in pensione e spero di poter vedere , almeno in parte realizzato , quel sogno tecnologico che in quel periodo ci animava in modo frenetico ......erano gli albori di una tecnologia innovativa che partendo dalla meccanica classica dendeva ,con l'ingegno e non poco spirito di avventura ,al raggiungimento di obiettivi che a Noi sembravano inverosimili........

    Rispondi
    • E' un grandissimo piacere leggere qui un suo commento !
      Sono davvero entusiasta e felice di questa opportunità! La ringrazio di aver condiviso la sua storia all'interno di questo progetto, e mi lasci dire quando stimo il lavoro che i fisici,tecnici,e scienziati in generale hanno fatto e continuano a fare nell'ambito di questo progetto !

      E davvero emozionante poter vivere in un epoca di cosi grandi scoperte, sorpassate in grandezza soltanto dai sogni per il futuro! Quei sogni che poi saranno la base per la scienza e la tecnologia delle prossime generazioni! Per cui grazie davvero anche di aver sognato, e di continuare a farlo! Sono i sogni su cui io da giovane mi aggrappo con forza per salire verso altri sogni ancora più in alto.

      Mi piacerebbe, se le va e ha l'opportunità, quando può, sentire di più riguardo a cosa ne pensa del progetto ITER, del suo stato attuale per esempio, e di cosa pensa che potrà succedere nei prossimi decenni.

      Grazie ancora per il commento !

      Rispondi
  8. Commento da inserire sul Vs. sito se gradito.
    E’ ETERNA LA MATERIA O DIO ?
    Tempo fa Stephen Hawking voleva poter conoscere la Mente di Dio. Per questo io gli dedicai il mio libro: “Il Tachione il dito di Dio”. Ora ha cambiato idea e dice che Dio non esiste. Il CERN a sua volta ripropone l'eterna esistenza della materia. Io rispondo così:
    COMMENTO ALL’ULTIMO ESPERIMENTO DEL CERN DI GINEVRA.
    Ciò che è stato osservato al CERN di Ginevra ,consiste di un plasma di teorema geometrici e matematici, espressi in numeri cardinali .
    Questi a loro volta sono costituiti da un gas di numeri ordinali, (la polvere di Cantor ” diviene “ frattali).
    A proposito DUNQUE ,della presunta autosufficienza della materia ,affermata dopo gli ultimi esperimenti del CERN di GINEVRA.
    Siamo semplicemente alle solite tesi ideologiche .
    Non si tiene conto che l'energia applicata nell'esperimento del CERN è già esistente nell'universo . Quindi la materia non è affatto autosufficiente. Rimane vero semplicemente che nulla si crea e nulla si distrugge .
    Rimane insoluto infatti ,quali sono le ragioni dell'esistenza dell'energia ? Perché c'è l'energia invece che il nulla ?Ovvero perché c’è il nulla indeterminato di Heisenberg invece del nulla assoluto?
    Per approfondire segnalo il sito: il Tachione il dito di Dio.
    Nel sito http://www.webalice.it/iltachione,si può leggere gratuitamente in rete la teoria unificata dell'universo fisico e mentale, secondo il pensiero sineterico.
    La tesi fondamentale della teoria afferma che la gravità non è una qualità della materia ma una reazione astratta all'estensione angolare .
    Pertanto le successive dimensioni spaziali“estendendosi” a partire dal punto mentale,alla retta ,al piano e ai volumi, determinano REAZIONE ANGOLARE GRAVITALE ,all'ipotesi immaginaria di estensione LAMBDA, nello spazio tempo.
    Dunque le ragioni invisibili delle apparenze fisiche ,sono astrazioni di teorema matematici.
    Le apparenze fisichevisibili ai sensi sono simulazioni delle idee della teoria.
    In pratica non ci sono fenomeni fisici reali ma solo rappresentazioni mentali dell'osservatore,” viste “dai sensi sulla lavagna mentale cerebrale.

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  9. Giorgio tubero

    Bella spiegazione ma stracolma di errori grammaticali! "Nei anni "dal uso" e altri cinque-sei.

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