Molti avranno sentito parlare del bosone di Higgs o particella di Dio, per alcuni addirittura “maledetta”, la cui scoperta ha suscitato scalpore tra religiosi e non. Tuttavia bisogna fare chiarezza su che cos’è il bosone di Higgs e cosa comporta tale scoperta. In primis i bosoni sono una classe di particelle subatomiche responsabili delle tre forze della natura che agiscono nell’infinitamente piccolo: i gluoni sono responsabili della forza nucleare forte; ai bosoni W e Z, invece, si deve la forza nucleare debole; il fotone è legato alla radiazione magnetica; il gravitone, un ipotetica particella che spiegherebbe la trasmissione della forza di gravità nei sistemi di gravità quantistica; ed infine il bosone di Higgs, grazie al quale ogni corpo possiede una massa e la materia esiste così come la conosciamo (per questo l’etichetta di particella di Dio).
Il bosone di Higgs non è solo una particella ma anche un vero e proprio campo, detto campo di Higgs, diffuso ovunque nello spazio attraverso il quale passano altre particelle elementari quali elettroni, quark, fotoni e la stessa particella ecc. Queste particelle, ad eccezione dei fotoni, sono costrette dal bosone ad interagire con il campo corrispondente in modo tale da “acquistare” una massa. Uno tra gli esempi più celebri e semplici per capire come funziona effettivamente il campo è quello in cui si paragona il bosone di Higgs ad un personaggio famoso che entra in una sala piena di persone. Man mano che avanza nella stanza, la gran parte dei presenti viene, per così dire, attratta dal “VIP” e quelli che lascia alle sue spalle tornano nella loro posizione originale. Questo affollamento aumenta la resistenza al movimento in quanto possiede una massa propria. L’esempio riportato serve per spiegare in altre parole che le particelle aventi una velocità pari a quella della luce nel vuoto (299.792.458 m/s), una volta entrati nel campo di Higgs, vengono rallentati dall’attrito che si crea tra loro e il campo. In questo modo le particelle non viaggiano più alla velocità della luce perché si sono appesantite, cioè hanno acquistato massa. Alcune rallentano talmente tanto da assumere una massa grande come il quark Top o il bosone W; altre, invece, attraversano il campo più velocemente, rimanendo così più leggeri (è il caso degli elettroni).
L’unica particella conosciuta ad oggi in grado di prendere massa interagendo con il proprio campo è il bosone di Higgs. Il valore di quest’interazione, dell’attrito sperimentato dal bosone quando nuota nel “mare” da lui stesso prodotto, determina la stabilità o meno del vuoto in cui il nostro Universo si trova. La massa del bosone di Higgs, il cui valore è pari a 126 volte la massa del protone come è emerso dai risultati del CERN, è di pochissimo inferiore a quella che garantirebbe che l’Universo in cui viviamo, possa rimanere nello stato in cui siamo per sempre nel suo futuro. In altre parole il nostro Universo ha evitato uno stato rigidamente stabile ma il fatto di essere così vicini ad una situazione di stabilità “forte” implica che il tempo richiesto al nostro Universo per compiere il passaggio dallo stato in cui oggi viviamo a quello in cui non ci sarebbero più le condizioni necessarie per la nostra esistenza diventi molto più lungo dei 13 miliardi di anni trascorsi dal Big Bang iniziale. Per fare un paragone è come un pallone che colpisce il palo: se il bosone di Higgs avesse avuto un centesimo di massa in più, il pallone sarebbe entrato in rete, cioè l’Universo sarebbe stato stabile in tutta la sua evoluzione futura; un centesimo in meno, e il pallone sarebbe clamorosamente uscito, ovvero l’Universo avrebbe imboccato la strada di uno stato di vuoto “instabile” in cui non ci sarebbe stato posto per la nostra esistenza.
Dopo una “breve” parentesi su che cos’è e come funzione il bosone di Higgs, bisogna chiarire cosa è stato scoperto nel 2012 con gli esperimenti ATLAS e CMS, condotti con l’acceleratore LHC del CERN di Ginevra. Il risultato più significativo ottenuto dai due rivelatori sta nel fatto che la nuova particella è un bosone scalare consistente con quanto ci si aspettava per il bosone di Higgs nell’ambito della principale teoria fisica del Modello Standard, una sorta di catalogo della materia che prevede l’esistenza di tutti gli ingredienti fondamentali dell’universo. Nel 1964, il fisico Peter Higgs, da cui il bosone prende il nome, teorizzò che il vuoto fosse davvero un’entità fisica con determinate proprietà fisiche e in cui le particelle elementari possono interagire tra di loro. I risultati riportati da ATLAS e CMS rappresentano la prima verifica sperimentale di tale ipotesi. Per fare ciò, i fisici del CERN hanno “creato” un’onda che nel vuoto si mostra come una nuova particella.
Nello specifico questa particella è stata creata facendo scontrare due fasci di protoni generando all’incirca mezzo miliardo di collisioni protoni-protoni al secondo, ognuna delle quali libera una quantità di energia pari a 3500 miliardi di elettronVolt, l’unità di misura dell’energia usata in ambito atomico e subatomico, da cui può emergere un bosone di Higgs. Il rivelatore ATLAS ha analizzato circa 800 trilioni di collisioni tra il 2010 e il 2012 di cui solo 8 interazioni sembrano aver prodotto un bosone di Higgs che decade in una coppia di bosoni Z, mentre in altre 200 interazioni è stato osservato un decadimento con la formazione di due fotoni. La probabilità di non trovare alcun segnale è molto bassa (1 su 3.500.000) il che vuol dire, in termini dei fisici delle particelle, che è stata scoperta una nuova particella. Risultati analoghi sono stati ottenuti anche dal rivelatore CMS. Inoltre i due valori della massa della particella sono molto vicini e rientrano nell’intervallo di energie atteso per la massa del bosone di Higgs.
La scoperta del bosone di Higgs dunque conferma l’idea che il vuoto sia caratterizzato da proprietà fisiche. Riportando un’affermazione del fisico italiano Lawrence Hall: “Immaginiamo che le piccole particelle, fotoni, neutroni, protoni, siano una squadra di calcio. Gli undici giocatori sono privi di massa, in altre parole di identità. Il pallone che si scambiano e che dà loro massa e identità è il bosone. Noi esistiamo in virtù dello scambio di informazioni e questa regola vale per il cosmo intero”.
