Cos’è il bosone di Higgs e perché era così ricercato? Il bosone di Higgs in parole semplici: cos'è, cosa dà e quali sono le conseguenze (video) La fisica dopo il bosone di Higgs.

Il 7 giugno 2018 presso il centro culturale ed educativo "Arche" si è tenuta una conferenza dell'accademico della RAS Valery Rubakov sul bosone di Higgs e sulle ricerche attualmente in corso presso l'LHC. Con il gentile consenso di "Arche" pubblichiamo autorizzato B . A. Rubakov presentazione di questa conferenza preparata da Boris Stern.

La scoperta del bosone di Higgs è stata annunciata il 4 luglio 2012 in un seminario al CERN. Si disse con una certa cautela: era stata scoperta una nuova particella e le sue proprietà erano coerenti con le proprietà previste del bosone di Higgs. E nel corso degli anni successivi ci siamo gradualmente convinti sempre più che le proprietà fossero esattamente quelle previste dai teorici e nel modello più ingenuo. La cosa più importante è che questa, come dicono i teorici, non è solo una nuova particella, ma un rappresentante di un nuovo settore di particelle elementari: il settore di Higgs.

Permettetemi di ricordarvi i principi di base del Modello Standard. L'intero "zoo" delle sue particelle sta in una diapositiva. Protoni, neutroni, mesoni π: tutte queste sono particelle composite. Non ci sono molte particelle elementari. Questa è una famiglia di leptoni, una famiglia di quark, che costituisce il settore dei fermioni. Il secondo settore è costituito dalle particelle responsabili delle loro interazioni: fotoni, bosoni W e Z, gluoni e gravitoni. I bosoni interagiscono non solo con i fermioni, ma anche tra loro. La più famosa di queste particelle è il fotone.

I più interessanti nelle loro manifestazioni sono i gluoni: legano i quark in un protone in modo tale che sia impossibile separarli. I bosoni W e Z sono simili nel loro ruolo al fotone, ma sono massicci e sono responsabili delle interazioni deboli, che sono legate alle interazioni elettromagnetiche, sebbene abbiano un aspetto diverso. Deve esserci anche una particella gravitonica. Dopotutto, le onde gravitazionali sono già state scoperte e dove ci sono onde ci devono essere particelle. Un'altra cosa è che apparentemente non saremo mai in grado di ricevere e registrare i gravitoni individualmente.

E infine il bosone di Higgs, che è un settore separato nella nostra diapositiva. Questa è un'altra particella che si distingue nell'intero “zoo”, costituito da un piccolo numero di specie diverse.

Cos'è il bosone di Higgs?

Per cominciare: cos’è un bosone? Ogni particella, come una trottola, ha una sorta di coppia interna, o rotazione (questo è un fenomeno della meccanica quantistica). C'è uno spin intero e semiintero in unità della costante di Planck. Le particelle con spin 1/2 o 3/2 (qualsiasi spin semiintero) sono chiamate fermioni. I bosoni hanno uno spin integrale, il che porta a differenze fondamentali nelle proprietà di queste particelle (ai bosoni piace accumularsi in uno stato quantomeccanico, come i fotoni nelle onde radio; i fermioni, al contrario, lo evitano, motivo per cui gli elettroni occupano diversi atomi atomici). conchiglie. - Ed.). Quindi, il bosone di Higgs ha spin pari a 0 (che è anche un numero intero).

Il bosone di Higgs è una particella pesante. La sua massa è di 125 GeV (per confronto: la massa di un protone è di circa 1 GeV, la massa della particella più pesante, il quark t, è di 172 GeV). Il bosone di Higgs è elettricamente neutro.

Negli acceleratori si scoprono nuove particelle che nascono da collisioni di particelle, in questo caso da collisioni di protoni. Quindi vengono registrati i prodotti di decadimento della particella desiderata. Il bosone di Higgs decade in media in 10 -22 s. Per una particella pesante questo non è un periodo di tempo così breve: un quark top, ad esempio, vive 500 volte di meno.

E il bosone di Higgs ha molti modi diversi di decadere. Uno dei “canali d'oro” del decadimento - il decadimento in due fotoni - è piuttosto raro: il bosone di Higgs decade in due casi su mille. Ma questo percorso è notevole in quanto entrambi i fotoni sono ad alta energia. Nel resto del sistema di riferimento del bosone di Higgs, ogni fotone ha un'energia di 62,5 GeV, che è molta energia. Questi fotoni sono chiaramente visibili, le direzioni del loro movimento e della loro energia possono essere misurate. Un canale di decadimento ancora più puro è il decadimento in quattro leptoni: in due coppie e + ed e -, in e +, e - e µ +, µ - o in quattro muoni. Il risultato sono quattro particelle cariche ad alta energia, che sono anche chiaramente visibili, e la loro energia e direzione di partenza possono essere misurate.

Come facciamo a sapere che quello che stiamo vedendo è il decadimento del bosone di Higgs? Diciamo che abbiamo rilevato due fotoni. Allo stesso tempo, ci sono molti altri processi che portano alla nascita di due fotoni. Ma se i fotoni provengono dal decadimento di una certa particella, allora da essi si può determinare la sua massa. Per fare ciò, dobbiamo calcolare l'energia di due fotoni in un sistema di riferimento in cui volano in direzioni opposte con la stessa energia, nel sistema di riferimento del centro di massa. Nel nostro sistema di riferimento, questa è una combinazione molto specifica di energie fotoniche e dell'angolo di diffusione tra di loro. Si chiama massa invariante del sistema di particelle. Se i fotoni sono prodotti di decadimento del bosone di Higgs, la loro massa invariante deve essere uguale alla massa del bosone, a meno di errori di misurazione. La stessa cosa accade se il bosone decade in quattro particelle.

Nella fig. La Figura 2 mostra la distribuzione degli eventi sulla massa invariante di due fotoni. Quest'ultimo è tracciato lungo l'asse orizzontale, mentre il numero di eventi è tracciato lungo l'asse verticale. C'è uno sfondo continuo e c'è uno “schiaffo” nella regione della massa invariante di 125 GeV. Potresti ridere, ma questo “schiaffo” è il bosone di Higgs. Un picco simile appare nella massa invariante di quattro leptoni (e + , e - , µ + , µ -), in cui anch'esso decade. Solo che questo accade in uno su diecimila decadimenti. Cioè, è necessario generare un milione di bosoni di Higgs per accumulare cento decadimenti in due coppie leptoniche. E così è stato.

È possibile misurare l'energia e la direzione di emissione (quindi la quantità di moto) di un elettrone o di un muone carico con una precisione molto maggiore rispetto al caso di un fotone. È per questo scopo che il rilevatore dispone di un forte campo magnetico: la curvatura della traiettoria di una particella carica in un campo magnetico consente di determinarne la quantità di moto (così come il segno della carica). Inoltre, nascono pochi leptoni isolati ad alta energia, e ancor di più il numero di quadrupli di leptoni isolati (isolati, cioè al di fuori del getto adronico) è piccolo. Pertanto, lo sfondo per il decadimento in quattro leptoni è piccolo.

Infine, i ricercatori dell’LHC hanno selezionato eventi in cui la massa invariante di una coppia di leptoni di segno opposto è uguale alla massa del bosone Z (l’Higgs decade in Z reale e Z virtuale), il che esercita una pressione ancora maggiore sul sistema sfondo. Ma il decadimento in quattro leptoni in realtà non è migliore del decadimento in due fotoni, poiché la probabilità di decadimento in due fotoni è molto più alta, gli errori nella sua misurazione sono compensati da statistiche più grandi.

Perché il bosone di Higgs è stato scoperto solo di recente?

Ci sono due circostanze qui. Innanzitutto, la particella desiderata è pesante. Ciò significa che abbiamo bisogno di un acceleratore ad alta energia. In secondo luogo, è necessario avere un'elevata intensità dei raggi affinché il numero di collisioni sia sufficiente. I fisici usano la parola "luminosità" per descrivere il numero di collisioni nell'unità di tempo. Dovresti avere molte collisioni.

Sembrava che tutto andasse bene con l'energia, perché prima del Large Hadron Collider, operava il Tevatron, un collisore negli Stati Uniti. La sua energia totale era di 2 TeV. Non sembra male, perché il bosone di Higgs è di 125 GeV. In linea di principio, l’energia del Tevatron potrebbe produrre bosoni di Higgs. Ma aveva una luminosità insufficiente. Non aveva abbastanza bosoni di Higgs nati.

Qualche parola su BAK

Il Large Hadron Collider è una struttura straordinaria sotto ogni aspetto. Questo è un acceleratore di stoccaggio superconduttore situato sottoterra. La lunghezza del suo anello è di 27 km e l'intero anello è costituito da magneti che trattengono protoni in questo anello, magneti superconduttori. All'epoca in cui fu costruito l'LHC, rappresentava l'ultima conquista tecnologica. Ora ci sono tentativi abbastanza riusciti di ottenere un campo magnetico più potente nei magneti. Ma a quel tempo era il massimo. In generale, tutto ciò che viene fatto lì è l'apice della tecnologia moderna, al limite estremo delle capacità umane.

Innanzitutto, l'LHC ha accelerato i protoni fino a un'energia totale di 7 TeV, quindi - 8 TeV. Ogni protone in collisione aveva un'energia di 4 TeV. Dopo aver iniziato a funzionare stabilmente nel 2010 con un'energia di 7 TeV, nel 2011 LHC è passato a un'energia di 8 TeV e la sua energia di progetto è di 14 TeV. Ora, per ingegnosi motivi tecnici, non abbiamo ancora raggiunto i 14 TeV; Dal 2015 l'acceleratore funziona con un'energia totale di 13 TeV. La sua luminosità è molto elevata sotto tutti gli aspetti; gli specialisti del CERN sono, ovviamente, dei grandi maestri. E le collisioni effettive delle particelle si verificano in quattro luoghi, a noi interessano due di essi, dove si trovano i rilevatori ATLAS e CMS. Questo è più o meno l'aspetto di un CMS: un solenoide muonico compatto (Fig. 4).

La più estrema è la camera per muoni, che consente di registrare e misurare i parametri dei muoni che volano attraverso l'intero rilevatore, perforandolo completamente. Tutto questo è racchiuso in un campo magnetico per misurarne la quantità di moto attraverso la curvatura del movimento della particella.

ATLAS - ancora di più. Questo è un edificio a più piani, completamente pieno di attrezzature.

Questi rilevatori misurano energie, impulsi, direzioni di movimento delle particelle, determinano se si tratta di un elettrone, un fotone, un muone o una particella fortemente interagente come un protone o un neutrone: tutti hanno le proprie firme.

Una storia interessante a parte è legata al modo in cui sono organizzati i gruppi di fisici: collaborazioni che si occupano di questa materia. È chiaro che per sviluppare, creare e mantenere una macchina così gigantesca, acquisire ed elaborare dati, garantire che nulla venga rovinato e cercare vari eventi e fenomeni interessanti, sono necessarie grandi squadre. Si riuniscono in tutto il mondo. Una cifra tipica è di 3,5mila fisici in ciascuna collaborazione, in ATLAS e CMS. Questi gruppi sono internazionali: oltre a quelli europei, ci sono specialisti provenienti dall'America, dal Giappone, dalla Cina, dalla Russia, ecc. Il numero totale degli istituti è di circa 200; 150–200 in ciascuna delle collaborazioni. È fantastico che questo sia un sistema auto-organizzato. Si tratta di un sistema organizzato “dal basso”; ha avuto i suoi “padri fondatori”, che gradualmente si sono interessati ai fisici negli anni ’90. Si è radunata una gran quantità di persone, ma lì non ci sono leader, tranne quelli eletti, tutti sono divisi in gruppi, sottogruppi, ognuno responsabile per se stesso, tutto è organizzato così. Nonostante si tratti di persone di culture molto diverse, tutto funziona. Non litigavano, non litigavano tra loro.

Devo dire che la Russia può ed è orgogliosa della nostra partecipazione a tutte queste attività. Tutti al CERN e nei suoi dintorni comprendono e sottolineano che il contributo della Russia è piuttosto significativo e serio. Una parte significativa dell'acceleratore è stata realizzata a Novosibirsk. Qui è stata realizzata anche una parte significativa degli elementi del rilevatore. E i nostri partecipanti sono tanti, provenienti da diverse città, da diverse istituzioni. Approssimativamente in termini di denaro, risorse e persone, la Russia rappresenta il 5-7% dei rilevatori Cernov (a seconda del rilevatore specifico). Il che è abbastanza normale per il nostro Paese.

Perché è necessario il bosone di Higgs?

Passiamo alla parte teorica, forse un po' noiosa e monotona, ma mi sembra utile per capire e spiegare, almeno qualitativamente, perché Engler, Brout e Higgs decisero all'improvviso che dovesse esserci una nuova particella. Più precisamente, Higgs decise che doveva esserci una nuova particella, e Engler e Brout inventarono il campo dei bosoni.

Innanzitutto bisogna ricordare che ad ogni particella è associato un campo. Una particella è sempre un quanto di un certo campo. Esiste un campo elettromagnetico, onde elettromagnetiche e ad essi è associato un fotone: un quanto del campo elettromagnetico. Anche qui: il bosone di Higgs è un quanto di un certo campo. Ci si potrebbe chiedere: perché abbiamo bisogno di un nuovo campo? Engler e Brout se ne resero conto per primi.

Qui dobbiamo andare un po’ da parte. Il mondo è governato da tutti i tipi di simmetrie. Ad esempio, spaziotemporale, associato a cambiamenti nel tempo e nello spazio: la fisica di domani è la stessa di ieri, la fisica qui è la stessa che in Cina. A queste simmetrie sono associate le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Ci sono anche simmetrie meno evidenti, dal punto di vista della nostra esperienza quotidiana, quelle interne. Ad esempio, in elettrodinamica esiste una simmetria che porta alla legge di conservazione della carica elettrica. Non è visibile se non sulle formule, ma c'è. Insieme alla legge di conservazione dell'energia, questa simmetria impedisce all'elettrone di decadere. È notevole che la stessa simmetria impedisca al fotone di avere massa, e in realtà non ce l'ha. Anche i gluoni sono privi di massa per lo stesso motivo: non possono avere massa a causa della simmetria associata al “colore”. I quark sono carichi di “colore” e i gluoni sono legati al “colore”, come i fotoni sono legati a una carica.

Ma le particelle responsabili delle interazioni deboli – i bosoni W e Z – sono massicce. Il problema è che sono molto simili ai fotoni: un elettrone può disperdersi su un elettrone, scambiando un fotone, o magari un bosone Z. I processi sono molto simili, vorrei attribuire alle interazioni deboli lo stesso tipo di simmetria che hanno quelle elettromagnetiche (si chiama simmetria di Gauge), ma la massa di W e Z - i portatori dell'interazione debole - non lo consente , rompe la simmetria di Gauge.

Perché questa bellissima simmetria è stata rotta? Si scopre che questo è un fenomeno abbastanza universale in natura: esistono molte simmetrie nelle leggi primarie della natura, ma si sono rivelate interrotte nell'Universo reale. Questo fenomeno è chiamato "rottura spontanea della simmetria".

Immaginiamo che tu ed io siamo piccole persone che vivono in un magnete permanente, in un pezzo di ferro magnetizzato. Conduciamo un esperimento con gli elettroni: otteniamo coppie elettrone-positrone (lì abbiamo un piccolo acceleratore, emettiamo elettroni). Quindi, questi elettroni non volano in linea retta nel magnete. A causa del fatto che esiste un campo magnetico, si “avvolgono” attorno ad esso e volano a spirale. Tu ed io li misuriamo e diciamo: ragazzi, abbiamo una direzione designata, il nostro mondo non è isotropo, abbiamo un asse dedicato su cui sono avvolti gli elettroni.

Ma se tu ed io siamo teorici intelligenti, immagineremo che il punto non è che lo spazio abbia una direzione preferita, ma che in questo spazio esiste un campo magnetico. Capiremo: se riuscissimo a rimuovere questo campo magnetico, nello spazio tutte le direzioni sarebbero uguali. Decideremo che esiste una simmetria rispetto alla rotazione, ma è rotta dal fatto che nello spazio esiste un campo magnetico. E se fossimo teorici ancora più intelligenti, allora, avendo realizzato che esiste un campo così nuovo che garantisce la rottura della simmetria, diremmo che deve esserci anche un quanto. E avrebbero previsto il fotone. E avrebbero previsto correttamente! La simmetria può essere rotta se c'è un campo diffuso nello spazio che rompe questa simmetria.

E questo è esattamente ciò che accade nella fisica del micromondo. Con alcune differenze. Le differenze sono che la simmetria non è spaziale, non relativa alle rotazioni spaziali, come in un magnete, ma interna. E qui non abbiamo ferro; questa simmetria è rotta proprio nel vuoto. Infine, a differenza del campo magnetico, qui è necessario un nuovo campo. È il campo di Engler, Brout e Higgs a fornire questa interruzione. E la sottigliezza è che il campo magnetico è un vettore, ha una direzione, ma questo campo deve essere scalare per non rompere la simmetria rispetto alle rotazioni spaziali. Non dovrebbe essere diretto da nessuna parte. Una particella di questo campo deve avere uno spin pari a zero.

Un quadro del genere fu proposto e messo in formule da Engler e Brout, poi da Higgs. Ma Engler e Brout in qualche modo non prestarono attenzione al fatto che la loro teoria prevedeva una nuova particella. E Higgs, che pubblicò il suo lavoro poco dopo, attirò l'attenzione su questo, e su suggerimento di un recensore che chiese se Higgs avesse qualche novità nell'articolo che Engler e Brout non dissero. Higgs pensò, pensò e dichiarò che doveva esserci una nuova particella. Ecco perché è stato chiamato il "bosone di Higgs".

Qual è il prossimo?

Finora tutto è stato “sano”. Ma le domande rimangono. Da un lato il quadro relativo al bosone di Higgs è coerente. Formalmente, tutto può essere calcolato, tutto può essere calcolato, avendo i parametri noti di questa teoria: costanti di accoppiamento, masse. Ma questa immagine non porta la soddisfazione finale. E una delle cose più importanti che non permette ai fisici di dormire sonni tranquilli è che in natura esistono scale energetiche di interazioni molto diverse.

Le interazioni forti tra quark e gluoni hanno una loro scala caratteristica. Questa, grosso modo, è la massa di un protone: 1 GeV. Esiste una scala delle interazioni deboli, 100 GeV (massa di W, Z, bosone di Higgs). E questa scala è proprio la scala del campo di Higgs: circa 100 GeV. E questo non sarebbe nulla, ma esiste anche la massa di Planck, la scala gravitazionale. Che equivale a 10 19 GeV. E, naturalmente, è già strano: che tipo di storia è questa, perché queste scale sono così diverse?

Con le scale delle interazioni forti non esiste un problema del genere: esiste un meccanismo che ci permette di comprendere la differenza tra questa scala e quella gravitazionale (beh, almeno nascondere il nostro smarrimento sotto il tappeto). Ma la scala del bosone di Higgs è pessima. Perché? Perché, infatti, in natura esiste il vuoto, uno stato senza particelle. E questo non è affatto un vuoto assoluto, nel senso che i processi virtuali avvengono continuamente nel vuoto: la nascita e la distruzione di coppie di particelle e fluttuazioni di campo. La vita continua lì tutto il tempo. Tuttavia, poiché è un vuoto e non ci sono particelle al suo interno, non possiamo vederlo direttamente. E indirettamente, è molto visibile. Ad esempio, i processi di nascita di coppie virtuali influenzano le proprietà degli atomi e ne modificano i livelli energetici. Questo è lo spostamento di Lamb noto da tempo, calcolato negli anni '30 e misurato negli anni '40. Di norma, l'effetto non è molto forte. Questo spostamento di Lamb dei livelli atomici è solo una frazione percentuale.

Ma c'è un posto dove il vuoto “spara” al 100%. Questa è esattamente la massa del bosone di Higgs. Si scopre che se inizi a prendere in considerazione la creazione e la distruzione di particelle virtuali e provi ingenuamente a calcolare quanto questi processi contribuiscono alla massa del bosone di Higgs, allora sarai convinto che questi fenomeni tendono ad attirare la massa di il bosone di Higgs verso la massa di Planck. Impediscono al bosone di Higgs di essere leggero.

E questa è davvero una cosa terribile. Voglio proprio capire perché in realtà la scala elettrodebole in natura è così piccola rispetto alla scala gravitazionale di 10 19 GeV. Ciò può essere spiegato dal fatto che non conosciamo bene la fisica a energie non molto elevate, a energie dell'ordine di 1 TeV. Il fatto è che se la fisica cambia sulla scala dei teraelettronvolt, allora forse lì accadono miracoli: l'influenza del vuoto per qualche motivo risulta essere piccola, insignificante. Che idea. Forse l'LHC non ha ancora scoperto tutto e devono esserci nuovi fenomeni a lui accessibili. La sua energia, lascia che te lo ricordi, è di 14 TeV. È vero, queste sono collisioni protone-protone. Un quark con un quark ha un'energia di collisione circa sei volte inferiore. Pertanto, la reale scala di energia studiata dall’LHC è 2–3 TeV. Tuttavia, questa è proprio la scala su cui (come vorremmo) possono apparire una nuova fisica, fenomeni fisici completamente nuovi.

E devo dirti che in effetti la situazione adesso è molto triste. Poiché l’LHC ha già lavorato quasi all’energia di progetto, ovvero 13 TeV, ha funzionato bene nel 2017, e ora questo lavoro continua. E non ce ne sono ancora - nessuno! - indicazioni di questa nuova fisica che tutti auspichiamo. Tutte queste considerazioni di cui vi parlo non trovano conferma. O non c'è abbastanza luminosità, non abbastanza collisioni, non abbastanza statistiche. Forse qui c'è qualcosa di completamente sbagliato, e tutti questi argomenti piuttosto convincenti, ma non del tutto ferrei, potrebbero essere sbagliati.

Quale nuova fisica potrebbe esserci? C’erano grandi speranze per la supersimmetria. È notevole il fatto che si tratta di una teoria che presenta una simmetria aggiuntiva rispetto a tutte quelle conosciute. Che collega particelle con spin intero e semiintero: bosoni e fermioni. A proposito, questa simmetria è stata proposta dai teorici qui a Mosca, all'Istituto di fisica Lebedev, negli anni '70.

Nel contesto della fisica delle particelle, questo significa quanto segue: se hai un quark con spin 1/2, allora deve avere un partner, che senza pensarci due volte è stato chiamato quark scalare - uno “squark” con spin 0. L'elettrone deve avere un partner: un elettrone scalare, il partner del fotone deve essere un fotino con spin 1/2, il partner del gluone deve essere un gluino e il partner del gravitone deve essere un gravitino.

A parte i gravitini, tutte queste particelle, se sono leggere, dovrebbero nascere al Large Hadron Collider. In generale, le teste calde hanno detto questo: quando l'LHC si accende, la prima cosa che troveranno non sarà il bosone di Higgs, ma la supersimmetria. E questa opinione era condivisa non solo da molti teorici, ma anche da poveri sperimentatori, i cui cervelli erano stati ingannati dai teorici. Tuttavia, la supersimmetria non è stata ancora scoperta, esistono solo restrizioni sulle masse delle particelle di cui sopra. In generale, non sembra più che la supersimmetria esista in natura a energie non molto elevate.

Perché la supersimmetria è buona? Si scopre che i contributi delle particelle virtuali alla massa del bosone di Higgs hanno segni diversi per spin diversi. In supersimmetria, i contributi di bosoni e fermioni sono ridotti a zero, e se hai fotoni e fotini o bosoni e vini W, anche i loro contributi sono ridotti a zero. Se le masse delle particelle e dei loro superpartner sono diverse - e questo è il caso, non esiste un elettrone scalare con la stessa massa dell'elettrone, lo sappiamo per certo - allora questa riduzione non avviene a zero. Ma se le masse dei superpartner si trovano nella regione dei teraelettronvolt, allora si scopre che questi contributi hanno una scala di centinaia di gigaelettronvolt, e quindi va tutto bene. Ma questo non funziona più. Le restrizioni su queste masse sono già così forti che questo meccanismo di riduzione non funziona completamente; non è possibile raggiungere 100 GeV. Se calcoli ingenuamente, dovresti ottenere qualcosa come 500–700 GeV per la massa del bosone di Higgs. Quindi ora la situazione con la ricerca della supersimmetria è molto tesa.

Ci sono altri scenari: ad esempio, il bosone di Higgs potrebbe essere composito, non necessariamente elementare. E in generale, nella fisica della materia condensata sono noti analoghi del meccanismo di Higgs, e lì l'analogo del bosone di Higgs o del campo di Higgs non è elementare, ma composito. L’esempio più famoso è la superconduttività. In un superconduttore il fotone sembra avere massa, questo è il cosiddetto effetto Meissner. La teoria di Engler-Brout-Higgs è quasi identica alla teoria di Ginzburg-Landau, proposta dieci anni prima di Engler-Brout-Higgs.

Se il bosone di Higgs è un bosone composito, allora tutto cambia, scompaiono gli enormi contributi derivanti dall'interazione con il vuoto, e appaiono le dimensioni del sistema composito, come quelle di un protone. Se questa dimensione è di 10-18 cm, l'energia corrispondente del sistema risulta essere ragionevole, mentre la struttura interna rimane ancora indistinguibile. Tali modelli hanno le proprie previsioni, ma ancora una volta, finora non è stato visto nulla di simile sull’acceleratore.

Forse davvero non capiamo qualcosa, i teorici non hanno pensato a qualcosa, non l’hanno scoperto nella loro testa. Naturalmente, il Large Hadron Collider ha un programma per la ricerca di nuovi fenomeni che non si basa su previsioni teoriche. Guarderemo dove possiamo, “dove ci sono le lanterne” - guarderemo sotto di esse. E cercheremo di trovare differenze rispetto al Modello Standard ove possibile. Finora non c’è nulla di tutto questo e il Modello Standard funziona alla grande.

In conclusione, dirò: siamo ora in una fase molto interessante nello sviluppo della fisica delle particelle elementari. Da un lato c’è la fiducia che il Modello Standard non rappresenti tutta la storia. Esistono anche prove concrete e inequivocabili provenienti dalla cosmologia che il Modello Standard è incompleto: prima di tutto, questa è la materia oscura: nell'Universo ci sono particelle massicce che compongono la materia oscura, la loro massa è circa cinque volte maggiore della materia ordinaria.

Ora la situazione è che la fisica delle particelle è tornata ad essere una scienza sperimentale. Negli anni '50 e '60, quest'area della fisica era una scienza sperimentale, quando venivano condotti esperimenti, i loro risultati venivano interpretati e venivano create teorie. Tuttavia, per tutta la mia vita adulta, tutto è andato al contrario: i teorici hanno fatto previsioni e gli sperimentatori le hanno confermate. Ora siamo di nuovo arrivati a una situazione in cui siamo completamente legati all'esperimento, senza sapere cosa ci mostrerà. Aspettiamo incrociando le dita, ma per ora l'LHC non ci dice nulla di interessante. Oltre al fatto che esiste un bosone di Higgs...

Inoltre, non sappiamo quale nuova fisica apparirà alla fine. Quindi la situazione è interessante, è stata fatta una scoperta importante, ma nessuno oggi può dire quale sarà la prossima scoperta. Forse questo è positivo, ci costringe a sforzarci e pensare e gli sperimentatori a cercare nuovi fenomeni. Spero che questa ricerca abbia successo.

Rimasta sfuggente per molto tempo, la cosiddetta particella di Dio è stata finalmente catturata. Il bosone di Higgs era il pezzo mancante di un puzzle chiamato Modello Standard. Gli scienziati ritengono che questo bosone sia responsabile della massa delle particelle. In particolare, il Large Hadron Collider è stato costruito appositamente per la ricerca del bosone di Higgs, che ha affrontato il suo compito principale. Ma per gli scienziati sono sorti nuovi misteri: esiste davvero un bosone di Higgs? Inoltre, la scoperta di questo bosone non spiega in alcun modo l'esistenza paradossale della materia oscura, che ultimamente ha occupato sempre più i fisici.

I fisici hanno finalmente visto una particella fondamentale scoperta per la prima volta al Large Hadron Collider decadere in due quark beauty, particelle esotiche e di breve durata che spesso compaiono dopo collisioni di particelle ad alta energia. Siamo stati in grado di osservare questo sfuggente processo solo ora, per la prima volta dopo sei anni dalla scoperta del bosone di Higgs. Gli scienziati di due esperimenti LHC, ATLAS e CMS, hanno riportato i loro risultati simultaneamente in un workshop tenutosi al CERN il 28 agosto.

Uno dei più grandi misteri della fisica potrebbe essere risolto da un campo di assioni “simile a un materasso” che permea lo spazio e il tempo. Tre fisici che hanno collaborato nell'area della Baia di San Francisco negli ultimi tre anni hanno sviluppato una nuova soluzione a una domanda che tormenta il loro campo scientifico da più di 30 anni. Anche uno studente delle scuole medie può formulare questo profondo mistero, che ha alimentato esperimenti sui più potenti acceleratori di particelle e dato origine a controverse ipotesi sul multiverso: come un magnete solleva una graffetta contro l'attrazione gravitazionale dell'intero pianeta.

Possiamo scommettere una grossa somma che la maggior parte di voi (comprese le persone interessate alla scienza) non ha una buona idea di cosa hanno trovato i fisici al Large Hadron Collider, perché lo hanno cercato così a lungo e cosa succederà dopo .

Pertanto, una breve storia su cosa sia il bosone di Higgs.

Dobbiamo partire dal fatto che le persone generalmente sono molto povere nell'immaginare nella loro mente cosa sta accadendo nel microcosmo, sulla scala delle particelle elementari.

Ad esempio, molte persone a scuola immaginano che gli elettroni siano piccole palline gialle, come mini-pianeti, che ruotano attorno al nucleo di un atomo, o assomiglino a un lampone composto da protoni-neutroni rossi e blu. Coloro che hanno una certa familiarità con la meccanica quantistica attraverso i libri popolari immaginano le particelle elementari come nuvole sfocate. Quando ci viene detto che qualsiasi particella elementare è anche un'onda, immaginiamo le onde del mare (o dell'oceano): la superficie di un mezzo tridimensionale che oscilla periodicamente. Se ci viene detto che una particella è un evento in un certo campo, immaginiamo un campo (qualcosa che ronza nel vuoto, come una scatola del trasformatore).

Tutto questo è molto brutto. Le parole "particella", "campo" e "onda" riflettono la realtà in modo estremamente scarso e non c'è modo di immaginarle. Qualunque immagine visiva ti venga in mente sarà errata e interferirà con la comprensione. Le particelle elementari non sono qualcosa che in linea di principio può essere visto o “toccato”, e noi, discendenti delle scimmie, siamo progettati per immaginare solo queste cose. Non è vero che un elettrone (o un fotone, o un bosone di Higgs) “è sia una particella che un’onda”; questo è qualcosa di terzo, per il quale non sono mai esistite parole nella nostra lingua (in quanto non necessarie). Noi (nel senso dell'umanità) sappiamo come si comportano, possiamo fare dei calcoli, possiamo fare esperimenti con loro, ma non riusciamo a trovarne una buona immagine mentale, perché le cose che sono almeno approssimativamente simili alle particelle elementari non lo sono trovato affatto sulla nostra scala.

I fisici professionisti non cercano di immaginare visivamente (o in altro modo in termini di sentimenti umani) cosa sta succedendo nel micromondo; questa è una brutta strada, non porta da nessuna parte. Sviluppano gradualmente una certa intuizione su quali oggetti vivono lì e cosa accadrà loro se fanno questo e quello, ma è improbabile che un non professionista sia in grado di duplicarlo.

Quindi spero che tu non pensi più alle palline. Ora parliamo di cosa stavano cercando e trovando al Large Hadron Collider.

La teoria generalmente accettata su come funziona il mondo su scala più piccola è chiamata Modello Standard. Secondo lei, il nostro mondo funziona così. Contiene diversi tipi di materia fondamentalmente diversi che interagiscono tra loro in modi diversi. A volte è conveniente parlare di interazioni come lo scambio di determinati “oggetti” di cui si può misurare la velocità, la massa, accelerarli o spingerli l’uno contro l’altro, ecc. In alcuni casi è conveniente chiamarli (e pensarli) come particelle portatrici. Nel modello sono presenti 12 tipi di tali particelle. Ti ricordo che tutto ciò di cui scrivo adesso è ancora inesatto e profanatorio; ma, spero, ancora molto meno di quanto riportato dalla maggior parte dei media. (Ad esempio, "L'Eco di Mosca" del 4 luglio si è distinto con la frase "5 punti sulla scala sigma"; gli addetti ai lavori lo apprezzeranno).

In un modo o nell'altro, 11 delle 12 particelle del Modello Standard sono già state osservate in precedenza. Il 12° è un bosone corrispondente al campo di Higgs, ciò che dà la massa a molte altre particelle. Un'analogia molto buona (ma, ovviamente, anche errata), che non è stata inventata da me: immagina un tavolo da biliardo perfettamente liscio su cui ci sono palle da biliardo - particelle elementari. Si disperdono facilmente in direzioni diverse e si muovono ovunque senza interferenze. Ora immagina che il tavolo sia ricoperto da una sorta di massa appiccicosa che impedisce il movimento delle particelle: questo è il campo di Higgs, e la misura in cui una particella aderisce a tale rivestimento è la sua massa. Il campo di Higgs non interagisce in alcun modo con alcune particelle, ad esempio con i fotoni, e la loro massa, di conseguenza, è zero; Si può immaginare che i fotoni siano come un disco nell'hockey da tavolo e il rivestimento non si nota affatto.

Tutta questa analogia non è corretta, ad esempio, perché la massa, a differenza del nostro rivestimento appiccicoso, impedisce alla particella di muoversi, ma di accelerare, ma dà una certa illusione di comprensione.

Il bosone di Higgs è la particella corrispondente a questo “campo appiccicoso”. Immagina di colpire molto forte un tavolo da biliardo, danneggiando il feltro e schiacciando una piccola quantità di sostanza appiccicosa in una piega simile a una bolla che rifluisce rapidamente fuori. Questo è.

In realtà, questo è esattamente ciò che il Large Hadron Collider ha fatto in tutti questi anni, e questo è più o meno come si presentava il processo per ottenere il bosone di Higgs: colpiamo il tavolo con tutte le nostre forze finché il tessuto stesso inizia a trasformarsi da un punto molto superficie statica, dura e appiccicosa in qualcosa di più interessante (o finché non accade qualcosa di ancora più meraviglioso, non previsto dalla teoria). Ecco perché l’LHC è così grande e potente: hanno già provato ad arrivare al tavolo con meno energia, ma senza successo.

Ora riguardo al famigerato 5 sigma. Il problema con il processo di cui sopra è che possiamo solo bussare e sperare che ne venga fuori qualcosa; Non esiste una ricetta garantita per ottenere il bosone di Higgs. Peggio ancora, quando finalmente verrà al mondo, dobbiamo avere il tempo di registrarlo (naturalmente è impossibile vederlo ed esiste solo per un'insignificante frazione di secondo). Qualunque sia il rilevatore che usiamo, possiamo solo dire che sembra che potremmo aver osservato qualcosa di simile.

Ora immaginiamo di avere un dado speciale; cade casualmente su una delle sei facce, ma se il bosone di Higgs è vicino ad esso in quel preciso momento, le sei facce non cadranno mai. Questo è un tipico rilevatore. Se lanciamo i dadi una volta e allo stesso tempo colpiamo il tavolo con tutte le nostre forze, nessun risultato ci dirà nulla: è uscito 4? Un evento piuttosto probabile. Hai tirato un 6? Forse abbiamo semplicemente colpito leggermente il tavolo nel momento sbagliato e il bosone, sebbene esistesse, non ha avuto il tempo di nascere al momento giusto o, al contrario, è riuscito a decadere.

Ma possiamo fare questo esperimento più volte, e anche molte volte! Ottimo, lanciamo i dadi 60.000.000 di volte. Diciamo che i sei sono usciti "solo" 9.500.000 di volte, e non 10.000.000; Questo significa che di tanto in tanto appare un bosone, o è solo una coincidenza accettabile - non crediamo che il dado debba essere un sei liscio 10 milioni di volte su 60?

Beh, eh. Queste cose non possono essere valutate a occhio; è necessario considerare quanto è grande la deviazione e come si collega a possibili incidenti. Maggiore è la deviazione, meno probabile è che l'osso si sia adagiato in quel modo per sbaglio, e maggiore è la probabilità che di tanto in tanto (non sempre) si formi una nuova particella elementare che gli impedisce di giacere come un sei. È conveniente esprimere lo scostamento dalla media in “sigma”. “Un sigma” è il livello di deviazione “più atteso” (il suo valore specifico può essere calcolato da qualsiasi studente del terzo anno della Facoltà di Fisica o Matematica). Se ci sono molti esperimenti, la deviazione di 5 sigma è il livello in cui l'opinione "la casualità è improbabile" si trasforma in una fiducia assolutamente ferma.

I fisici hanno annunciato il 4 luglio il raggiungimento di questo livello di deviazioni su due diversi rilevatori. Entrambi i rilevatori si comportavano in modo molto simile a come si comporterebbero se la particella prodotta colpendo forte il tavolo fosse in realtà un bosone di Higgs; A rigor di termini, questo non significa che sia lui che è di fronte a noi; dobbiamo misurare ogni sorta di altre sue caratteristiche con ogni sorta di altri rilevatori. Ma i dubbi restano pochi.

Infine, su cosa ci aspetta in futuro. È stata scoperta la “nuova fisica” e fatto un passo avanti che ci aiuterà a creare motori iperspaziali e carburante assoluto? NO; e anche viceversa: è diventato chiaro che in quella parte della fisica che studia le particelle elementari i miracoli non accadono, e la natura è strutturata quasi come i fisici avevano sempre supposto (beh, o quasi). È anche un po' triste.

La situazione è complicata dal fatto che sappiamo con assoluta certezza che in linea di principio non può essere strutturata esattamente così. Il Modello Standard è puramente matematicamente incompatibile con la teoria generale della relatività di Einstein, ed entrambi semplicemente non possono essere veri allo stesso tempo.

E dove scavare adesso non è ancora molto chiaro (non è che non ci siano affatto pensieri, anzi, al contrario: ci sono troppe possibilità teoriche diverse, e ci sono molti meno modi per testarle). Beh, forse è chiaro a qualcuno, ma certamente non a me. Già sono andato oltre le mie competenze in questo post molto tempo fa. Se ho mentito male da qualche parte, per favore correggimi.

In fisica, il bosone di Higgs è una particella elementare che secondo gli scienziati svolge un ruolo fondamentale nella formazione della massa nell'Universo. Confermare o smentire l'esistenza di questa particella era uno degli obiettivi principali dell'utilizzo del Large Hadron Collider (LHC), l'acceleratore di particelle più potente al mondo, che si trova presso il Laboratorio europeo di fisica delle particelle (CERN) vicino a Ginevra.

Perché è stato così importante trovare il bosone di Higgs?

Nella moderna fisica delle particelle esiste un certo modello standard. L'unica particella prevista da questo modello, e che gli scienziati hanno lottato a lungo per rilevare, è il bosone nominato. Il modello standard delle particelle (secondo i dati sperimentali) descrive tutte le interazioni e trasformazioni tra le particelle elementari. Tuttavia, in questo modello rimaneva l’unico “punto vuoto”: la mancanza di una risposta alla domanda sull’origine della massa. L'importanza della massa è fuori dubbio, perché senza di essa l'Universo sarebbe completamente diverso. Se l'elettrone non avesse massa, gli atomi e la materia stessa non esisterebbero, non esisterebbero la biologia e la chimica e, alla fine, non esisterebbe l'uomo.

Per spiegare il concetto dell'esistenza della massa, diversi fisici, tra cui il britannico Peter Higgs, ipotizzarono l'esistenza del cosiddetto campo di Higgs negli anni '60 del secolo scorso. Per analogia con il fotone, che è una particella del campo elettromagnetico, anche il campo di Higgs richiede l'esistenza della sua particella portatrice. Pertanto, i bosoni di Higgs, in parole semplici, sono particelle dalla moltitudine di cui è formato il campo di Higgs.

La particella di Higgs e il campo che crea

Tutte le particelle elementari possono essere divise in due tipi:

Fermioni.
Bosoni.

I fermioni sono quelle particelle che formano la materia che conosciamo, come protoni, elettroni e neutroni. I bosoni sono particelle elementari che determinano l'esistenza di vari tipi di interazioni tra fermioni. Ad esempio, i bosoni sono il fotone - portatore dell'interazione elettromagnetica, il gluone - portatore dell'interazione forte o nucleare, i bosoni Z e W, responsabili dell'interazione debole, cioè delle trasformazioni tra particelle elementari.

Se parliamo in termini semplici del bosone di Higgs e del significato dell'ipotesi che spiega la comparsa della massa, allora dovremmo immaginare che questi bosoni siano distribuiti nello spazio dell'Universo e formino un campo di Higgs continuo. Quando qualsiasi corpo, atomo o particella elementare sperimenta "attrito" attorno a questo campo, cioè interagisce con esso, allora questa interazione si manifesta come esistenza di massa per questo corpo o particella. Quanto più un corpo “strofina” una particella contro il campo di Higgs, tanto maggiore è la sua massa.

Come rilevare e dove scavare per il bosone di Higgs

Questo bosone non può essere rilevato direttamente, poiché (secondo i dati teorici) dopo la sua comparsa decade istantaneamente in altre particelle elementari più stabili. Ma le particelle apparse dopo il decadimento del bosone di Higgs possono già essere rilevate. Sono le “tracce” che indicano l’esistenza di questa importante particella.

Gli scienziati hanno fatto collidere fasci di protoni ad alta energia per rilevare la particella del bosone di Higgs. L'enorme energia dei protoni durante una collisione può trasformarsi in massa, secondo la famosa equazione di Albert Einstein E = mc 2. Nella zona di collisione dei protoni nel collisore ci sono molti rilevatori che consentono di registrare l'aspetto e il decadimento di eventuali particelle.

La massa del bosone di Higgs non è stata stabilita teoricamente, ma è stata determinata solo una possibile serie dei suoi valori. Per rilevare una particella sono necessari potenti acceleratori. Il Large Hadron Collider (LHC) è attualmente il più potente acceleratore del pianeta Terra. Con il suo aiuto è stato possibile far collidere protoni con un'energia vicina a 14 tetraelettronvolt (TeV). Attualmente opera ad energie di circa 8 TeV. Ma anche queste energie si sono rivelate sufficienti per rilevare il bosone di Higgs o la particella di Dio, come molti la chiamano anche.

Eventi casuali e reali

Nella fisica delle particelle, l'esistenza di un evento viene valutata con una certa probabilità "sigma", che determina la casualità o la realtà di questo evento ottenuto nell'esperimento. Per aumentare la probabilità che si verifichi un evento è necessario analizzare un gran numero di dati. La ricerca e la scoperta del bosone di Higgs è uno di questi tipi di eventi probabili. Per rilevare questa particella, l’LHC ha generato circa 300 milioni di collisioni al secondo, quindi la quantità di dati da analizzare era enorme.

Possiamo parlare con sicurezza di un'osservazione reale di un evento specifico se il suo “sigma” è uguale a 5 o più. Ciò equivale all'evento di una moneta (se la lanci e esce testa 20 volte di seguito). Questo risultato corrisponde ad una probabilità inferiore allo 0,00006%.

Una volta scoperto questo “nuovo” evento reale, è necessario studiarlo nel dettaglio, rispondendo alla domanda se questo evento corrisponda esattamente alla particella di Higgs o si tratti di qualche altra particella. Per fare ciò, è necessario studiare attentamente le proprietà dei prodotti di decadimento di questa nuova particella e confrontarli con i risultati delle previsioni teoriche.

Esperimenti LHC e scoperta della particella massa

Le ricerche della particella di massa, effettuate presso i collisori LHC di Ginevra e al Tevatron del Fermilab negli Stati Uniti, hanno stabilito che la particella di Dio deve avere una massa superiore a 114 gigaelettronvolt (GeV), se espressa in energia equivalente. Ad esempio, supponiamo che la massa di un protone corrisponda approssimativamente a 1 GeV. Altri esperimenti volti alla ricerca di questa particella hanno scoperto che la sua massa non può superare i 158 GeV.

I primi risultati della ricerca del bosone di Higgs all'LHC sono stati presentati nel 2011, grazie all'analisi dei dati raccolti al collisore nel corso di un anno. Durante questo periodo sono stati condotti due esperimenti principali su questo problema: ATLAS e CMS. Secondo questi esperimenti il bosone ha una massa compresa tra 116 e 130 GeV oppure tra 115 e 127 GeV. È interessante notare che in entrambi questi esperimenti all'LHC, secondo molte caratteristiche, la massa del bosone si trova in una regione ristretta tra 124 e 126 GeV.

Peter Higgs, insieme al collega Frank Englert, ha ricevuto il Premio Nobel l'8 ottobre 2013 per la scoperta di un meccanismo teorico per comprendere l'esistenza della massa nelle particelle elementari, confermato negli esperimenti ATLAS e CMS presso l'LHC del CERN (Ginevra), quando fu scoperto il bosone previsto sperimentalmente.

L'importanza della scoperta della particella di Higgs per la fisica

Per dirla semplicemente, la scoperta del bosone di Higgs ha segnato l'inizio di una nuova fase nella fisica delle particelle, poiché questo evento ha fornito nuovi modi per un'ulteriore esplorazione dei fenomeni dell'Universo. Ad esempio, lo studio della natura e delle caratteristiche della materia nera, che, secondo le stime generali, costituisce circa il 23% dell'intero Universo conosciuto, ma le cui proprietà rimangono ancora oggi un mistero. La scoperta della particella di Dio ha permesso di riflettere e condurre nuovi esperimenti all'LHC che aiuteranno a chiarire questo problema.

Proprietà dei bosoni

Molte delle proprietà della particella di Dio descritte nel modello standard delle particelle elementari sono ormai pienamente stabilite. Questo bosone non ha spin, non ha carica elettrica né colore, quindi non interagisce con altri bosoni come il fotone e il gluone. Tuttavia, interagisce con tutte le particelle dotate di massa: quark, leptoni e bosoni di interazione debole Z e W. Maggiore è la massa della particella, più forte interagisce con il bosone di Higgs. Inoltre, questo bosone è la propria antiparticella.

La massa della particella, la sua vita media e l'interazione tra i bosoni non sono previste dalla teoria. Queste quantità possono essere misurate solo sperimentalmente. I risultati degli esperimenti presso l'LHC del CERN (Ginevra) hanno stabilito che la massa di questa particella è compresa tra 125 e 126 GeV e la sua durata è di circa 10 -22 secondi.

Bosone scoperto e apocalisse spaziale

La scoperta di questa particella è considerata una delle più importanti nella storia dell'umanità. Gli esperimenti con questo bosone continuano e gli scienziati stanno ottenendo nuovi risultati. Uno di questi era il fatto che un bosone potesse portare l’Universo alla distruzione. Inoltre, questo processo è già iniziato (secondo gli scienziati). L'essenza del problema è questa: il bosone di Higgs può collassare da solo in qualche parte dell'Universo. Ciò creerà una bolla energetica che si diffonderà gradualmente, assorbendo tutto sul suo cammino.

Alla domanda se il mondo finirà, ogni scienziato risponde positivamente. Il fatto è che esiste una teoria chiamata “Modello Stellare”. Postula un'affermazione ovvia: ogni cosa ha il suo inizio e la sua fine. Secondo le idee moderne, la fine dell'Universo sarà simile a questa: l'espansione accelerata dell'Universo porta alla dispersione della materia nello spazio. Questo processo continuerà fino allo spegnimento dell'ultima stella, dopodiché l'Universo precipiterà nell'oscurità eterna. Nessuno sa quanto tempo ci vorrà perché ciò accada.

Con la scoperta del bosone di Higgs è emersa un’altra teoria apocalittica. Il fatto è che alcuni fisici credono che la massa del bosone risultante sia una delle possibili masse temporanee; ci sono altri valori. Questi valori di massa possono anche essere realizzati, poiché (in termini semplici) il bosone di Higgs è una particella elementare che può presentare proprietà ondulatorie. Cioè, esiste la possibilità della sua transizione verso uno stato più stabile corrispondente a una massa maggiore. Se si verifica una tale transizione, tutte le leggi naturali conosciute dall'uomo assumeranno una forma diversa, e quindi arriverà la fine dell'Universo a noi noto. Inoltre, questo processo potrebbe già essersi verificato in qualche parte dell'Universo. All’umanità non resta molto tempo per la sua esistenza.

I vantaggi dell’LHC e di altri acceleratori di particelle per la società

Le tecnologie in fase di sviluppo per gli acceleratori di particelle sono utili anche per la medicina, l’informatica, l’industria e l’ambiente. Ad esempio, i magneti collisori realizzati con materiali superconduttori, con l'aiuto dei quali le particelle elementari vengono accelerate, possono essere utilizzati per le tecnologie diagnostiche mediche. I moderni rilevatori di varie particelle prodotte nel collisore possono essere utilizzati nella tomografia a positroni (un positrone è l'antiparticella di un elettrone). Inoltre, le tecnologie per la formazione di fasci di particelle elementari nell'LHC possono essere utilizzate per trattare varie malattie, ad esempio il cancro.

Per quanto riguarda i vantaggi della ricerca che utilizza l’LHC del CERN (Ginevra) per l’informatica, va detto che la rete informatica globale GRID, così come Internet stessa, devono in gran parte il loro sviluppo agli esperimenti con acceleratori di particelle, che hanno prodotto enormi quantità di dati. La necessità di condividere questi dati tra gli scienziati di tutto il mondo ha portato alla creazione al CERN del linguaggio World Wide Web (WWW), su cui si basa Internet, da parte di Tim Bernels-Lee.

I fasci di particelle, che erano e si formano in vari tipi di acceleratori, sono attualmente ampiamente utilizzati nell'industria per studiare le proprietà di nuovi materiali, la struttura di oggetti biologici e prodotti dell'industria chimica. I risultati ottenuti nella fisica delle particelle vengono utilizzati per progettare pannelli di energia solare, ritrattare i rifiuti radioattivi e così via.

L'impatto della scoperta della particella di Higgs su letteratura, cinema e musica

I seguenti fatti indicano la natura sensazionale della notizia della scoperta di una particella massiva in fisica:

In seguito alla scoperta di questa particella, è stato pubblicato il popolare libro scientifico "La particella di Dio: se l'universo è la risposta, qual è la domanda"? Lev Liedermann. I fisici dicono che chiamare il bosone di Higgs una particella di Dio è un’esagerazione.
Anche il film Angeli e Demoni, basato sull'omonimo libro, usa il nome bosone "particella di Dio".
Il film di fantascienza Solaris, con George Clooney e Natascha McElhone, propone una teoria che menziona il campo di Higgs e il suo importante ruolo nella stabilizzazione delle particelle subatomiche.
Nel libro di fantascienza Flashforward, scritto da Robert Sawyer nel 1999, due scienziati provocano un disastro globale quando conducono esperimenti per rilevare il bosone di Higgs.
La serie spagnola "Ark" racconta la storia di una catastrofe globale in cui tutti i continenti furono inondati a seguito di esperimenti al Large Hadron Collider, e solo le persone sulla nave "Polar Star" sopravvissero.
Il gruppo musicale madrileno "Aviador Dro" nel loro album "Voice of Science" ha dedicato una canzone al bosone di massa scoperto.
Il cantante australiano Nick Cave nel suo album "Push the Sky Away" ha chiamato una delle canzoni "Blue Higgs Boson".

Noi, il team Quantuz, (cercando di unirci alla comunità GT) offriamo la nostra traduzione della sezione del sito particelleadventure.org dedicata al bosone di Higgs. In questo testo abbiamo escluso le immagini non informative (per la versione completa, vedere l'originale). Il materiale interesserà chiunque sia interessato alle ultime conquiste della fisica applicata.

Il ruolo del bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è stata l'ultima particella scoperta nel Modello Standard. Questa è una componente critica della teoria. La sua scoperta ha contribuito a confermare il meccanismo con cui le particelle fondamentali acquisiscono massa. Queste particelle fondamentali nel Modello Standard sono quark, leptoni e particelle portatrici di forza.

Teoria del 1964

Nel 1964, sei fisici teorici ipotizzarono l'esistenza di un nuovo campo (come un campo elettromagnetico) che riempie tutto lo spazio e risolve un problema critico nella nostra comprensione dell'universo.

Indipendentemente, altri fisici svilupparono una teoria delle particelle fondamentali, poi chiamata Modello Standard, che fornì una precisione fenomenale (la precisione sperimentale di alcune parti del Modello Standard raggiunge 1 su 10 miliardi. Ciò equivale a prevedere la distanza tra New York e San Francisco). Francisco con una precisione di circa 0,4 mm). Questi sforzi si sono rivelati strettamente interconnessi. Il Modello Standard necessitava di un meccanismo che consentisse alle particelle di acquisire massa. La teoria dei campi è stata sviluppata da Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen e Thomas Kibble.

Bosone

Peter Higgs si rese conto che, per analogia con altri campi quantistici, deve esserci una particella associata a questo nuovo campo. Deve avere uno spin pari a zero e, quindi, essere un bosone, una particella con spin intero (a differenza dei fermioni, che hanno spin semiintero: 1/2, 3/2, ecc.). E in effetti presto divenne noto come Bosone di Higgs. L'unico inconveniente era che nessuno lo vedeva.

Qual è la massa del bosone?

Sfortunatamente, la teoria che prevedeva il bosone non ne specificava la massa. Passarono gli anni finché non divenne chiaro che il bosone di Higgs doveva essere estremamente pesante e molto probabilmente fuori dalla portata delle strutture costruite prima del Large Hadron Collider (LHC).

Ricordiamo che secondo E=mc 2, maggiore è la massa della particella, maggiore è l'energia necessaria per crearla.

Quando l’LHC iniziò a raccogliere dati nel 2010, esperimenti presso altri acceleratori mostrarono che la massa del bosone di Higgs dovrebbe essere maggiore di 115 GeV/c2. Durante gli esperimenti all'LHC si prevedeva di cercare prove di un bosone con una massa compresa tra 115 e 600 GeV/c2 o anche superiore a 1000 GeV/c2.

Ogni anno era sperimentalmente possibile escludere bosoni con masse maggiori. Nel 1990 si sapeva che la massa richiesta doveva essere maggiore di 25 GeV/c2, e nel 2003 si scoprì che era maggiore di 115 GeV/c2

Le collisioni al Large Hadron Collider potrebbero produrre molte cose interessanti

Dennis Overbye sul New York Times parla di ricreare le condizioni di un trilionesimo di secondo dopo il Big Bang e dice:

« ...i resti [dell'esplosione] in questa parte del cosmo non sono stati visti da quando l'Universo si è raffreddato 14 miliardi di anni fa - la primavera della vita è fugace, ancora e ancora in tutte le sue possibili variazioni, come se l'Universo stavano partecipando alla propria versione del film Ricomincio da capo»

Uno di questi “resti” potrebbe essere il bosone di Higgs. La sua massa deve essere molto grande e deve decadere in meno di un nanosecondo.

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Dopo mezzo secolo di attesa, il dramma si fece intenso. I fisici dormivano fuori dall'auditorium per prendere posto ad un seminario presso il laboratorio del CERN di Ginevra.

Diecimila miglia di distanza, dall'altra parte del pianeta, in una prestigiosa conferenza internazionale sulla fisica delle particelle a Melbourne, centinaia di scienziati provenienti da tutti gli angoli del globo si sono riuniti per ascoltare il seminario trasmesso da Ginevra.

Ma prima diamo uno sguardo ai retroscena.

Fuochi d'artificio 4 luglio

Il 4 luglio 2012 i direttori degli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider hanno presentato i loro ultimi risultati nella ricerca del bosone di Higgs. Circolavano voci secondo cui avrebbero riportato qualcosa di più di un semplice rapporto sui risultati, ma cosa?

Infatti, quando sono stati presentati i risultati, entrambe le collaborazioni che hanno condotto gli esperimenti hanno riferito di aver trovato prove dell’esistenza di una particella “simile al bosone di Higgs” con una massa di circa 125 GeV. Era sicuramente una particella, e se non è il bosone di Higgs, allora ne è un'imitazione di altissima qualità.

Le prove non erano inconcludenti; gli scienziati avevano risultati cinque-sigma, il che significa che c’era meno di una possibilità su un milione che i dati fossero semplicemente un errore statistico.

Il bosone di Higgs decade in altre particelle

Il bosone di Higgs decade in altre particelle quasi immediatamente dopo la sua produzione, quindi possiamo osservare solo i suoi prodotti di decadimento. I decadimenti più comuni (tra quelli che possiamo vedere) sono mostrati in figura:

Ciascuna modalità di decadimento del bosone di Higgs è nota come "canale di decadimento" o "modalità di decadimento". Sebbene la modalità bb sia comune, molti altri processi producono particelle simili, quindi se si osserva il decadimento bb, è molto difficile dire se le particelle sono dovute al bosone di Higgs o a qualcos'altro. Diciamo che la modalità di decadimento bb ha uno “sfondo ampio”.

I migliori canali di decadimento per la ricerca del bosone di Higgs sono i canali di due fotoni e due bosoni Z.*

*(Tecnicamente, per una massa del bosone di Higgs di 125 GeV, il decadimento in due bosoni Z non è possibile, poiché il bosone Z ha una massa di 91 GeV, facendo sì che la coppia abbia una massa di 182 GeV, maggiore di 125 GeV. Tuttavia, ciò che osserviamo è un decadimento in un bosone Z e in un bosone Z virtuale (Z*), la cui massa è molto più piccola.)

Decadimento del bosone di Higgs a Z+Z

I bosoni Z hanno anche diversi modi di decadimento, incluso Z → e+ + e- e Z → µ+ + µ-.

La modalità di decadimento Z+Z era abbastanza semplice per gli esperimenti ATLAS e CMS, con entrambi i bosoni Z che decadevano in una delle due modalità (Z → e+ e- o Z → µ+ µ-). La figura mostra quattro modalità di decadimento osservate del bosone di Higgs:

Il risultato finale è che a volte l'osservatore vedrà (oltre ad alcune particelle non legate) quattro muoni, o quattro elettroni, o due muoni e due elettroni.

Come apparirebbe il bosone di Higgs nel rilevatore ATLAS

In questo caso, il "getto" (jet) sembrava scendere e il bosone di Higgs stava salendo, ma decadde quasi istantaneamente. Ogni immagine di collisione è chiamata "evento".

Esempio di evento con possibile decadimento del bosone di Higgs sotto forma di una bellissima animazione della collisione di due protoni nel Large Hadron Collider, potete visualizzarla sul sito della fonte a questo link.

In questo caso, si può produrre un bosone di Higgs che decade immediatamente in due bosoni Z, che a loro volta decadono immediatamente (lasciando due muoni e due elettroni).

Meccanismo che conferisce massa alle particelle

La scoperta del bosone di Higgs è un indizio incredibile su come le particelle fondamentali acquisiscono massa, come sostenuto da Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl e Kibble. Che tipo di meccanismo è questo? Questa è una teoria matematica molto complessa, ma la sua idea principale può essere compresa con una semplice analogia.

Immagina uno spazio pieno del campo di Higgs, come un gruppo di fisici che comunicano tranquillamente tra loro sorseggiando un cocktail...
Ad un certo punto, Peter Higgs entra e crea eccitazione mentre attraversa la stanza, attirando un gruppo di fan ad ogni passo...

Prima di entrare nella stanza, il professor Higgs poteva muoversi liberamente. Ma dopo essere entrato in una stanza piena di fisici, la sua velocità diminuì. Un gruppo di fan ha rallentato il suo movimento attraverso la stanza; in altre parole, ha guadagnato massa. Ciò è analogo a una particella priva di massa che acquisisce massa quando interagisce con il campo di Higgs.

Ma tutto ciò che voleva era andare al bar!

(L'idea dell'analogia appartiene al Prof. David J. Miller dell'University College di Londra, che ha vinto il premio per una spiegazione accessibile del bosone di Higgs - © CERN)

Come fa il bosone di Higgs ad acquisire la propria massa?

D'altra parte, man mano che la notizia si sparge per la stanza, si formano anche gruppi di persone, ma questa volta esclusivamente di fisici. Un tale gruppo può muoversi lentamente nella stanza. Come altre particelle, il bosone di Higgs acquista massa semplicemente interagendo con il campo di Higgs.

Trovare la massa del bosone di Higgs

Come si trova la massa del bosone di Higgs se decade in altre particelle prima di essere rilevato?

Se decidi di assemblare una bicicletta e vuoi conoscerne la massa, dovresti sommare le masse delle parti della bicicletta: due ruote, telaio, manubrio, sella, ecc.

Ma se vuoi calcolare la massa del bosone di Higgs dalle particelle in cui è decaduto, non puoi semplicemente sommare le masse. Perché no?

Sommare le masse delle particelle di decadimento del bosone di Higgs non funziona, poiché queste particelle hanno un'energia cinetica enorme rispetto all'energia a riposo (ricordiamo che per una particella a riposo E = mc 2). Ciò si verifica a causa del fatto che la massa del bosone di Higgs è molto maggiore delle masse dei prodotti finali del suo decadimento, quindi l'energia rimanente va da qualche parte, cioè nell'energia cinetica delle particelle che sorgono dopo il decadimento. La relatività ci dice di utilizzare l'equazione seguente per calcolare la "massa invariante" di un insieme di particelle dopo il decadimento, che ci darà la massa del "genitore", il bosone di Higgs:

E2 =p2c2 +m2c4

Trovare la massa del bosone di Higgs dai suoi prodotti di decadimento

Nota Quantuz: qui siamo un po' incerti sulla traduzione, poiché ci sono termini speciali coinvolti. Suggeriamo di confrontare la traduzione con la fonte per ogni evenienza.

Quando parliamo di decadimento come H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, allora le quattro possibili combinazioni mostrate sopra potrebbero derivare sia dal decadimento del bosone di Higgs che dai processi di fondo, quindi dobbiamo guardare l'istogramma della massa totale delle quattro particelle in queste combinazioni.

L'istogramma di massa implica che stiamo osservando un numero enorme di eventi e notando il numero di tali eventi quando si ottiene la massa invariante risultante. Sembra un istogramma perché i valori della massa invariante sono divisi in colonne. L'altezza di ciascuna colonna mostra il numero di eventi in cui la massa invariante si trova nell'intervallo corrispondente.

Potremmo immaginare che questi siano i risultati del decadimento del bosone di Higgs, ma non è così.

Dati sul bosone di Higgs dal background

Le aree rosse e viola dell'istogramma mostrano lo "sfondo" in cui si prevede che si verifichino il numero di eventi a quattro leptoni senza la partecipazione del bosone di Higgs.

L'area blu (vedi animazione) rappresenta la previsione del "segnale", in cui il numero di eventi a quattro leptoni suggerisce il risultato del decadimento del bosone di Higgs. Il segnale è posizionato in alto sullo sfondo perché per ottenere il numero totale di eventi previsti è sufficiente sommare tutti i possibili esiti degli eventi che potrebbero verificarsi.

I punti neri mostrano il numero di eventi osservati, mentre le linee nere che passano attraverso i punti rappresentano l'incertezza statistica in questi numeri. L'aumento dei dati (vedi diapositiva successiva) a 125 GeV è un segno di una nuova particella da 125 GeV (bosone di Higgs).

Un'animazione dell'evoluzione dei dati per il bosone di Higgs man mano che si accumula si trova sul sito web originale.

Il segnale del bosone di Higgs sale lentamente sopra lo sfondo.

Dati dal bosone di Higgs che decade in due fotoni

Decadimento in due fotoni (H → γ + γ) ha uno sfondo ancora più ampio, ma nonostante ciò il segnale è chiaramente distinto.

Questo è un istogramma della massa invariante per il decadimento del bosone di Higgs in due fotoni. Come puoi vedere, lo sfondo è molto ampio rispetto al grafico precedente. Questo perché ci sono molti più processi che producono due fotoni che processi che producono quattro leptoni.

La linea rossa tratteggiata mostra lo sfondo e la linea rossa spessa mostra la somma dello sfondo e del segnale. Vediamo che i dati sono in buon accordo con una nuova particella intorno a 125 GeV.

Svantaggi dei primi dati

I dati erano convincenti ma non perfetti e presentavano limitazioni significative. Al 4 luglio 2012, non c'erano statistiche sufficienti per determinare la velocità con cui una particella (il bosone di Higgs) decade nei vari insiemi di particelle meno massicce (le cosiddette "proporzioni di ramificazione") previste dal Modello Standard.

Il "rapporto di ramificazione" è semplicemente la probabilità che una particella decade attraverso un dato canale di decadimento. Queste proporzioni sono previste dal Modello Standard e misurate osservando ripetutamente i decadimenti delle stesse particelle.

Il grafico seguente mostra le migliori misurazioni delle proporzioni di ramificazione che possiamo effettuare a partire dal 2013. Poiché queste sono le proporzioni previste dal Modello Standard, l'aspettativa è 1,0. I punti sono le misurazioni attuali. Ovviamente, le barre di errore (linee rosse) sono per lo più ancora troppo grandi per trarre conclusioni serie. Questi segmenti vengono accorciati man mano che vengono ricevuti nuovi dati ed è possibile che i punti si spostino.

Come fai a sapere che una persona sta osservando un evento candidato per il bosone di Higgs? Esistono parametri unici che distinguono tali eventi.

La particella è un bosone di Higgs?

Sebbene fosse stato rilevato che la nuova particella decadeva, il 4 luglio la velocità con cui stava avvenendo non era ancora chiara. Non si sapeva nemmeno se la particella scoperta avesse i numeri quantici corretti, cioè se avesse lo spin e la parità richiesti per il bosone di Higgs.

In altre parole, il 4 luglio la particella sembrava un'anatra, ma dovevamo assicurarci che nuotasse come un'anatra e starnazzasse come un'anatra.

Tutti i risultati degli esperimenti ATLAS e CMS del Large Hadron Collider (così come del collisore Tevatron al Fermilab) dopo il 4 luglio 2012 hanno mostrato un notevole accordo con le proporzioni di ramificazione previste per le cinque modalità di decadimento discusse sopra, e un accordo con lo spin previsto (uguale a zero) e parità (uguale a +1), che sono i numeri quantici fondamentali.

Questi parametri sono importanti per determinare se la nuova particella è veramente il bosone di Higgs o qualche altra particella inaspettata. Quindi tutte le prove disponibili puntano al bosone di Higgs del Modello Standard.

Alcuni fisici la considerarono una delusione! Se la nuova particella è il bosone di Higgs del Modello Standard, allora il Modello Standard è sostanzialmente completo. Tutto ciò che ora si può fare è misurare con sempre maggiore precisione ciò che è già stato scoperto.

Ma se la nuova particella si rivelasse qualcosa di non previsto dal Modello Standard, aprirebbe la porta a molte nuove teorie e idee da testare. Risultati inattesi richiedono sempre nuove spiegazioni e aiutano a far avanzare la fisica teorica.

Da dove viene la massa nell’Universo?

Nella materia ordinaria, la maggior parte della massa è contenuta negli atomi e, per essere più precisi, è contenuta in un nucleo costituito da protoni e neutroni.

Protoni e neutroni sono costituiti da tre quark, che acquistano massa interagendo con il campo di Higgs.

MA... le masse dei quark contribuiscono per circa 10 MeV, che è circa l'1% della massa del protone e del neutrone. Allora da dove viene la massa rimanente?

Si scopre che la massa di un protone deriva dall'energia cinetica dei suoi quark costituenti. Come tu ovviamente sai, la massa e l'energia sono legate dall'uguaglianza E=mc 2.

Quindi solo una piccola frazione della massa della materia ordinaria nell’Universo appartiene al meccanismo di Higgs. Tuttavia, come vedremo nella prossima sezione, l’Universo sarebbe completamente inabitabile senza la massa di Higgs, e non ci sarebbe nessuno in grado di scoprire il meccanismo di Higgs!

Se non ci fosse il campo di Higgs?

Se non esistesse il campo di Higgs, come sarebbe l’Universo?

Non è così ovvio.

Certamente nulla legherebbe gli elettroni negli atomi. Volerebbero in pezzi alla velocità della luce.

Ma i quark sono legati da una forte interazione e non possono esistere in forma libera. Alcuni stati legati dei quark potrebbero essere preservati, ma non è chiaro per quanto riguarda protoni e neutroni.

Tutto ciò sarebbe probabilmente materia simile al nucleare. E forse tutto questo è crollato a causa della gravità.

Un fatto di cui siamo certi: l'Universo sarebbe freddo, buio e senza vita.
Quindi il bosone di Higgs ci salva da un universo freddo, oscuro e senza vita dove non ci sono persone che possano scoprire il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs è un bosone del Modello Standard?

Sappiamo per certo che la particella che abbiamo scoperto è il bosone di Higgs. Sappiamo anche che è molto simile al bosone di Higgs del Modello Standard. Ma ci sono due punti che non sono ancora stati dimostrati:

1. Nonostante il fatto che il bosone di Higgs provenga dal Modello Standard, ci sono piccole discrepanze che indicano l'esistenza di una nuova fisica (attualmente sconosciuta).
2. Esistono più bosoni di Higgs, con masse diverse. Ciò suggerisce anche che ci saranno nuove teorie da esplorare.

Solo il tempo e nuovi dati riveleranno la purezza del Modello Standard e dei suoi bosoni o nuove entusiasmanti teorie fisiche.