Il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs è una particella associata al campo Higgs, un campo uniforme e invisibile che riempie tutto l’universo e conferisce massa alle particelle elementari.
Il bosone di Higgs si presenta quando il campo di Higgs viene eccitato o vibra per effetto di un’interazione ad altissima energia.
E' stato scoperto nel 2012 al CERN di Ginevra, grazie agli esperimenti ATLAS e CMS condotti con il Large Hadron Collider (LHC), confermando una previsione teorica formulata negli anni Sessanta da Peter Higgs e da altri fisici teorici.
Per fare un'analogia, si può immaginare il campo di Higgs come l’acqua dell’oceano, mentre il bosone di Higgs come un’onda che nasce, si propaga sulla superficie per un istante e poi scompare.
Nota. Il bosone di Higgs non nasce perché nel campo ci sono particelle massive, il bosone è una fluttuazione autonoma del campo di Higgs e compare solo quando il campo viene eccitato con un’enorme quantità di energia, come accade nelle collisioni del Large Hadron Collider.
L'origine della massa delle particelle elementari
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?
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. Per comprendere la differenza tra una particella massiva pesante e una particella leggera, utilizzo un’analogia quotidiana. Immagino il campo di Higgs come una folla lungo un marciapiede. Una particella pesante è come una persona molto famosa che, camminando, viene subito circondata da chi le chiede autografi: l’interazione con la folla la rallenta. Una particella leggera, invece, è come una persona qualunque che attraversa la stessa strada senza attirare attenzione, continuando a muoversi liberamente.
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.
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.
Il potenziale del campo di Higgs
All’inizio, l’Universo si trovava in uno stato perfettamente simmetrico, in cui il campo di Higgs aveva valore nullo in ogni punto dello spazio. Questa configurazione, tuttavia, era instabile e destinata a mutare.
Per visualizzare la situazione, si può immaginare una pallina posta sulla sommità di una superficie a forma di sombrero.
L’altezza della superficie rappresenta l’energia potenziale del campo di Higgs in funzione del suo valore, ossia quanta energia serve per mantenerlo in un determinato stato.
Il vertice del sombrero corrisponde a un massimo locale, uno stato instabile in cui l’Universo sarebbe perfettamente simmetrico e tutte le particelle avrebbero massa nulla.
Basta però una minima fluttuazione per rompere l’equilibrio: come una pallina in bilico sulla punta del cappello.
Questo momento è chiamato rottura spontanea di simmetria.
Segue un processo di "rilassamento di Higgs" in cui il campo “scivola” naturalmente verso una regione a energia più bassa.
Alla fine, il campo di Higgs si stabilizza in una zona di minimo potenziale, dove l’energia è inferiore e il campo assume un valore non nullo anche nel vuoto, detto valore di aspettazione nel vuoto (VEV).
In questa nuova configurazione la simmetria elettrodebole è rotta: alcune particelle (come i bosoni W e Z, i quark e gli elettroni) interagendo con il campo acquistano massa, mentre altre (come il fotone) restano prive di massa.
Oggi l’Universo si trova proprio in questo stato di minimo, non più “in cima” alla superficie del sombrero.
Pur avendo raggiunto l’equilibrio, il campo di Higgs può ancora oscillare leggermente intorno al punto di minimo, come una pallina che continua a vibrare sul fondo della valle. Queste piccole oscillazioni corrispondono a un bosone di Higgs reale.
Quindi, il campo di Higgs è la “valle” in cui la pallina si trova ferma, mentre il bosone di Higgs è la “vibrazione” della pallina sul fondo della valle.
Equilibrio stabile o meta stabile?
Da un punto di vista fisico, in teoria l’attuale minimo del potenziale di Higgs sembra essere un minimo locale, non necessariamente globale.
Questo significa che l’universo potrebbe attualmente trovarsi in uno stato meta-stabile di "falso vuoto" e in futuro potrebbe decadere ulteriormente in uno stato di "vero vuoto" con energia potenziale più bassa.
Tuttavia, le stime basate sui parametri noti (massa del bosone di Higgs ≈ 125 GeV e massa del quark top) indicano che, se anche questo decadimento fosse possibile, avverrebbe su tempi cosmologici enormemente più lunghi dell’età attuale dell’universo, quindi non rappresenta un rischio reale nel futuro prevedibile.
E così via.
