Il bosone di Higgs

Nel Modello Standard della fisica, ci sono diverse particelle elementari (elettroni, quark, neutrini, fotoni, ecc.).Alcune di queste hanno massa (come l’elettrone o i bosoni W e Z), altre non ne hanno (come il fotone).

Da dove viene la massa delle particelle?

Non si può semplicemente “inserirla a mano” nelle equazioni, perché ciò romperebbe la simmetria che tiene insieme la teoria elettrodebole (quella che unifica l’elettricità e la forza debole).

Serve quindi un meccanismo naturale che dia massa senza distruggere la simmetria.

Nel 1964 Higgs e altri fisici proposero che nell’universo esistesse un campo invisibile, chiamato campo di Higgs, che riempie tutto lo spazio. È presente ovunque, anche nel vuoto più assoluto.

Il campo di Higgs è un campo "scalare", cioè descritto da un solo valore in ogni punto, non da direzioni come i campi elettrici o magnetici.

Questo campo ha una caratteristica: anche quando tutto è “a riposo”, il suo valore non è zero. In fisica si dice che ha un valore di aspettazione nel vuoto (VEV) diverso da zero.

È come se l’universo intero fosse immerso in una sorta di “mare” invisibile di energia.

Come dà massa alle particelle?

Quando una particella elementare si muove in questo mare, interagisce con il campo di Higgs. Questa interazione è ciò che noi percepiamo come massa.

Le particelle che interagiscono molto con il campo diventano pesanti. Ad esempio il quark top.

Quelle che interagiscono poco rimangono leggere, come l’elettrone.

Quelle che non interagiscono affatto rimangono senza massa, come il fotone.

Nota. In formule, la massa nasce dal cosiddetto accoppiamento di Yukawa tra la particella e il campo di Higgs.

Il bosone di Higgs è semplicemente l’“increspatura” o l’oscillazione quantistica del campo di Higgs.

Per spiegarla con un'analogia, si può immaginare il campo di Higgs come l’acqua dell’oceano, mentre il bosone di Higgs come un’onda che si propaga sulla superficie.

Nel 2012 gli esperimenti del CERN (ATLAS e CMS) hanno scoperto il bosone di Higgs. Questo ha confermato che il campo di Higgs esiste davvero.

Il campo di Higgs non dà massa a tutto ciò che esiste

Non tutta la massa dell’universo deriva dal campo di Higgs, ma solo una piccola parte. Il campo di Higgs spiega soltanto l’origine della massa delle particelle elementari, non di quelle composte.

Il campo di Higgs è responsabile della massa intrinseca delle particelle elementari del Modello Standard (elettroni, quark, bosoni W e Z).

Queste particelle, senza il campo di Higgs, sarebbero a massa zero, cioè viaggerebbero tutte alla velocità della luce come i fotoni. 

Il campo di Higgs “rompe” la simmetria elettrodebole e, attraverso gli accoppiamenti di Yukawa, assegna una massa a ciascuna particella in base a quanto interagisce con il campo.

Questa parte della massa dell’universo è quindi effetto diretto del campo di Higgs.

Tuttavia, il campo di Higgs non determina la massa dei nuclei composti.

La quasi totalità della materia visibile dell’universo è fatta di protoni e neutroni, e questi sono composti da quark e gluoni legati dalla forza forte (QCD).

Ad esempio, la massa dei protoni e neutroni non è semplicemente la somma delle masse dei quark che li compongono, bensì proviene in gran parte dall’energia di legame dei gluoni (forza forte). La somma della massa dei tre quark di un protone è all'incirca solo l'1% della massa complessiva del protone. Da dove viene il resto della massa? Dall’energia di legame e dall'energia cinetica dei quark e dei gluoni nel protone. Secondo la formula $ E = mc^2 $ di Einstein, quell’energia equivale a massa.

La massa della materia di cui siamo fatti è, in realtà, energia confinata dentro i legami della forza forte.

In un certo senso, noi siamo fatti di energia tenuta prigioniera dai gluoni, più che di massa generata dal campo di Higgs.

Quindi, gran parte della massa è nell'universo è generata dalla dinamica del campo dei gluoni, non dal campo di Higgs.

E così via.