Le origini del bosone di Higgs

Molti quesiti in fisica delle particelle sono relativi all’esistenza della massa delle particelle. Si dice che il “meccanismo di Higgs”, il quale consiste nel campo di Higgs e nel corrispondente bosone di Higgs, dia massa alle particelle elementari. Per “massa” intendiamo la massa inerziale, che fa resistenza quando proviamo ad accelerare un oggetto, piuttosto che la massa gravitazionale, la quale è sensibile alla gravità. Nella celebre formula di Einstein E = mc² , la “m” è la massa inerziale della particella. Da un certo punto di vista, questa massa è la quantità essenziale, che definisce che in un certo luogo ci sia una particella piuttosto che il nulla.

Nei primi anni 60, i fisici avevano una valida teoria delle interazioni elettromagnetiche e un modello descrittivo dell’interazione nucleare debole – la forza che è in gioco in molti decadimenti radioattivi e nelle reazioni che fanno splendere il sole. Avevano identificato profonde somiglianze tra le strutture di queste due interazioni, ma una teoria unificata ad un livello più profondo sembrava richiedere che le particelle fossero prive di massa nonostante le particelle reali in natura ne abbiano.

Nel 1964, i teorici propongono una soluzione a questo rompicapo. Tentativi indipendenti di Robert Brout e Francois Eglert a Bruxelles, di Peter Higgs all’università di Edimburgo, e di altri, conducono ad un modello concreto noto come il “meccanismo Brout-Englert-Higgs” ( BEH). La peculiarità di questo meccanismo è che può dare massa alle particele elementari pur conservando la delicata struttura delle loro interazioni originali. L’aspetto più rilevante è che questa struttura assicura che questa teoria rimanga predittiva anche ad un’energia molto elevata. Le particelle portatrici dell’interazione debole acquisirebbero massa grazie alle loro interazioni con il campo di Higgs, come farebbero tutte le particelle di materia. I fotoni, che trasportano l’interazione elettromagnetica, rimarrebbero invece privi di massa.

Nella storia dell’universo, le particelle hanno interagito con il campo di Higgs solo 10ˉ¹² secondi dopo il Big Bang. Prima della transizione di questa fase, tutte le particelle erano prive di massa e viaggiavano alla velocità della luce. Dopo che l’universo si è espanso e raffreddato, le particelle hanno interagito con il campo di Higgs e questa interazione ha dato loro massa. Il meccanismo BEH implica che i valori delle masse delle particelle elementari sono legati dalla forza con cui ciascuna particella si accoppia con il campo di Higgs. Questi valori non sono previsti dalle teorie attuali. Una volta che la massa di una particella sia stata misurata, la sua interazione con il bosone di Higgs può essere determinata.

L’introduzione del meccanismo BEH aveva diverse implicazioni. La prima era che l’interazione debole è mediata da particelle pesanti, ovvero i bosoni W e Z, che sono stati scoperti al CERN nel 1983; la seconda era che il nuovo campo si sarebbe dovuto materializzare in un’altra particella. La massa di questa particella era sconosciuta, ma i ricercatori sapevano che doveva essere minore di 1 TeV – un valore ben oltre i limiti allora raggiungibili dagli acceleratori. Questa particella era stata chiamata successivamente bosone di Higgs e sarebbe diventata la particella più ricercata in tutta la fisica delle particelle.

L’acceleratore, gli esperimenti e il bosone di Higgs

Il grande acceleratore elettrone-positrone (LEP), in funzione al CERN dal 1989 al 2000, è stato il primo acceleratore a raggiungere la regione di massa in cui potenzialmente poteva trovarsi il bosone di Higgs. Sebbene LEP non abbia scoperto il bosone di Higgs, ha contribuito ad un grande avanzamento nella ricerca, stabilendo che la massa dovesse essere maggiore di 114 GeV.

Nel 1984, alcuni fisici ed ingegneri del CERN hanno esplorato la possibilità di installare un acceleratore protone-protone con un’energia di collisione molto elevata, di 10-20 TeV, nello stesso tunnel del LEP. Questo acceleratore sarebbe stato capace di sondare tutto l’intervallo possibile per la massa di Higgs, a condizione di avere una luminosità molto alta. D’altra parte, questa alta luminosità avrebbe significato che ogni collisione interessante sarebbe stata accompagnata da decine di collisioni spurie. Dato lo stato della tecnologia dei rivelatori a quel tempo, questa sembrò una sfida formidabile. Il CERN saggiamente lanciò un forte programma di ricerca e sviluppo, che consentì rapidi progressi sui rivelatori. Questo portò alla nascita delle prime collaborazioni che sarebbero poi diventate gli esperimenti ATLAS, CMS e altri esperimenti a LHC.

Sul piano teorico, negli anni ’90, sono stati fatti molti progressi: i fisici hanno studiato la produzione del bosone di Higgs nella collisione protone-protone e tutti i suoi differenti modi di decadere. Dato che ognuno di questi modi di decadere dipendeva fortemente dalla massa sconosciuta del bosone di Higgs, i futuri rilevatori dovevano misurare tutti i possibili tipi di particelle per coprire tutto l’intervallo di massa possibile. Ogni decadimento dell’Higgs è stato studiato attraverso intense simulazioni e i principali modi di decadimento del bosone sono stati il riferimento per la progettazione del rivelatore.

Nel frattempo, al Fermilab, vicino Chicago, Illinois, l’acceleratore Tevatron stava iniziando ad avere indicazioni di un bosone di Higgs con una massa pari a circa 160 GeV. Il Tevatron, predecessore scientifico del LHC, in funzione negli anni dal 1986 al 2011, faceva scontrare i protoni con gli antiprotoni.

Nel 2008, dopo un lungo ed intenso periodo di costruzione, l’LHC e i suoi rilevatori erano pronti per i primi fasci. Il 10 Settembre 2008, la prima iniezione dei fasci nella macchina fu un importante evento per il CERN, con la presenza della stampa ed autorità internazionali. La macchina stava lavorando perfettamente e abbiamo nutrito grandi speranze. Sfortunatamente, dieci giorni dopo, un problema nei magneti superconduttori ha profondamente danneggiato l’LHC. Fu necessario un anno intero per le riparazioni e l’installazione di un migliore sistema di protezione. L’incidente ha rivelato una debolezza nei magneti, che avrebbe limitato l’energia di collisione a 7 TeV.

Alla ripartenza, abbiamo dovuto prendere una difficile decisione: spendere un altro anno per aggiustare le debolezze dei magneti in tutto l’anello, per poter operare a 13 TeV? O ricominciare subito e sperimentare l’LHC a 7 TeV, nonostante la riduzione di un fattore tre dei Bosoni di Higgs attesi? Simulazioni dettagliate hanno dimostrato che c’era una possibilità di scoprire il bosone di Higgs con un’energia ridotta, in particolare nell’intervallo in cui la competizione con il Tevatron era più forte, così abbiamo deciso di partire immediatamente con 7 TeV, e ne è valsa la pena.

L’LHC ha ricominciato a funzionare nel 2010 a 7 TeV con una luminosità modesta – una luminosità che sarebbe aumentata nel 2011. La collaborazione ATLAS aveva fatto buon uso della pausa forzata del 2009 per una migliore comprensione del rilevatore e per preparare l’analisi dei dati. Nel 2010, gli esperti di Higgs, sperimentali e teorici, hanno creato il gruppo di lavoro “LHC Higgs Cross-Section” che si è rivelato prezioso come forum in cui discutere i calcoli più avanzati e gli aspetti difficili della produzione e del decadimento del bosone di Higgs. Questi risultati sono stati regolarmente documentati nei “Rapporti gialli LHCHXSWG”, famosi nella comunità.

La scoperta del bosone di Higgs

Siccome i bosoni di Higgs sono estremamente rari, sono necessarie sofisticate tecniche di analisi per individuare gli eventi di segnale all’interno di elevati fondi dovuti a altri processi. Dopo che gli eventi simili al segnale sono stati identificati, sono utilizzati potenti metodi statistici per quantificare l’importanza del segnale. Dal momento che le oscillazioni statistiche sul fondo possono anche assomigliare a dei segnali, vengono richiesti rigorosi requisiti statistici prima che un nuovo segnale sia dichiarato scoperto. La significatività è tipicamente stimata come il numero di deviazioni standard (σ) della distribuzione normale. Nella fisica delle particelle, una significatività di 3σ è indicata come evidenza, mentre 5σ è indicata come un’osservazione, corrispondente alla probabilità di una oscillazione statistica del fondo inferiore ad 1 su un milione.

I fisici analizzarono con entusiasmo i dati non appena arrivarono. Nell’estate del 2011, si è notato un piccolo eccesso nel decadimento di Higgs in due bosoni W per una massa intorno a 140 GeV. Le cose si fecero più interessanti visto che un eccesso di massa simile veniva visto anche nel canale in due fotoni. Tuttavia, all’aumentare del set di dati, la dimensione di questo eccesso è prima aumentata e quindi diminuita.

Entro la fine del 2011, ATLAS aveva raccolto e analizzato 5 fbˉ¹ di dati con un’energia di centro di massa di 7 TeV. Dopo aver unito tutti i canali, è stato scoperto che il bosone di Higgs del Modello Standard poteva essere escluso per tutte le masse tranne un piccolo intervallo attorno a 125 GeV, dove si osservava un eccesso con un valore di circa 3σ, in gran parte guidato dai canali di decadimento in due fotoni e in quattro leptoni. I risultati sono stati mostrati in occasione di un seminario speciale al CERN il 13 dicembre 2011. Sebbene nessuno degli esperimenti abbia avuto risultati sufficientemente solidi da condurre a un’osservazione, ciò che è stato particolarmente significativo è stato il fatto che sia ATLAS che CMS avessero un eccesso alla stessa massa.

Nel 2012, l’energia dell’LHC è stata aumentata da 7 a 8 TeV, il che ha aumentato le sezioni d’urto per la produzione di bosoni di Higgs. I dati sono arrivati ​​velocemente: entro l’estate del 2012, ATLAS aveva raccolto 5 fbˉ¹ a 8 TeV, raddoppiando il set di dati. Appena i dati sono arrivati, è stato analizzato e il valore di quella piccola protuberanza intorno a 125 GeV è ulteriormente aumentato. Le voci stavano girando al CERN quando un seminario congiunto tra ATLAS e CMS fu annunciato per il 4 luglio 2012. I posti al seminario erano così ricercati che solo le persone che si accodarono per tutta la notte riuscirono ad entrare nella stanza. Ad aumentare ulteriormente l’entusiasmo c’era la presenza di François Englert e Peter Higgs al seminario.

Al famoso seminario, i portavoce delle Collaborazioni ATLAS e CMS hanno mostrato i loro risultati in successione, entrambi riscontravano un eccesso di circa 5σ a una massa di 125 GeV. Per concludere la sessione, il direttore generale del CERN Rolf Heuer ha dichiarato: “Penso che ce l’abbiamo fatta”.

La Collaborazione ATLAS ha celebrato la scoperta con champagne e dando a ciascun membro della collaborazione una maglietta con le figure famose. Per inciso, solo una volta che sono state stampate si è scoperto che c’era un errore di battitura nella figura. Non importa, queste magliette diventeranno oggetti da collezione.

Poche settimane dopo, ATLAS e CMS hanno pubblicato i risultati in Physics Letters B. Il documento ATLAS intitolato “Osservazione di una nuova particella nella ricerca del modello standard del Bosone di Higgs con il rilevatore ATLAS al LHC”. È stato assegnato Il premio Nobel per la fisica a Peter Higgs e François Englert nel 2013.

Cosa abbiamo imparato dalla scoperta

Dopo la scoperta, abbiamo iniziato a studiare le proprietà della particella appena scoperta per capire se si trattasse del bosone di Higgs del Modello Standard o di qualcos’altro. Infatti, inizialmente lo chiamavamo un bosone simile a quello di Higgs perché non volevamo affermare che fosse il bosone di Higgs finché non ne fossimo stati certi. La massa, il parametro finale sconosciuto nel Modello Standard, è stato uno dei primi parametri misurati ed era approssimativamente 125 GeV (all’incirca 130 volte più grande della massa del protone). È risultato che siamo stati molto fortunati- questa è la massa per la quale è disponibile il maggior numero di canali di decadimento.

Nel Modello Standard, il bosone di Higgs è unico: ha zero spin, nessuna carica elettrica e nessuna interazione forte. Lo spin e la parità sono state misurate attraverso le correlazioni angolari tra le particelle in cui si decompone. Queste proprietà sono risultate in accordo con le previsioni. A questo punto abbiamo iniziato a chiamarlo “bosone di Higgs”. Certamente, rimane ancora da vedere se sia l’unico bosone di Higgs oppure uno dei tanti, come predetto ad esempio dalla supersimmetria.

La scoperta del bosone di Higgs si basa sulle misure del suo decadimento in bosoni vettoriali. Nel Modello Standard, accoppiamenti diversi caratterizzano le sue interazioni con fermioni e con bosoni, quindi la nuova fisica potrebbe avere un impatto diverso su di loro. Pertanto è importante misurarli entrambi. La prima sonda diretta degli accoppiamenti fermionici era il decadimento in particelle tau, che è stato osservato nella combinazione dei risultati ATLAS e CMS eseguitia alla fine del Run 1. Durante il Run 2, l’aumento dell’energia del centro di massa a 13 TeV e il set di dati più ampio consentiva di sondare altri canali. Nel corso dell’ultimo anno, è stata ottenuta la prova della decomposizione di Higgs in quark bottom ed è stata osservata la produzione del bosone di Higgs insieme ai quark top. Questo significa che l’interazione del bosone di Higgs con i fermioni è stata chiaramente stabilita.

Forse uno dei modi più accurati per riassumere ciò che sappiamo al momento sull’interazione del bosone di Higgs con le altre particelle del Modello Standard è confrontare la forza di interazione del bosone di Higgs con la massa di ciascuna particella, come mostrato nella figura 4. Questo mostra chiaramente che la forza di interazione dipende dalla massa della particella: più pesante è la particella, più forte è la sua interazione con il campo di Higgs. Questa è una delle principali previsioni del meccanismo BEH nel Modello Standard.

Non eseguiamo test solo per verificare che le proprietà del bosone di Higgs siano in linea con quelle previste dal Modello Standard, bensì cerchiamo specificatamente proprietà che forniscano prove di nuova fisica. Ad esempio, vincolando la velocità con cui il bosone di Higgs decade in combinazioni di particelle invisibili o non osservate, si forniscono limiti stringenti sull’esistenza di nuove particelle con masse inferiori a quella del bosone di Higgs. Cerchiamo anche i decadimenti in combinazioni di particelle proibite nel Modello Standard. Finora, nessuna di queste ricerche ha trovato nulla di inaspettato, ma questo non significa che smetteremo di cercare ovunque anche in futuro.

Previsioni

Il 2018 è l’ultimo anno in cui ATLAS raccoglierà dati nel Run 2 di LHC. Durante questo Run, le collisioni protone-protone a 13 TeV hanno prodotto un numero approssimativamente 30 volte maggiore di bosoni di Higgs di quelle usate nel 2012 per la scoperta del bosone di Higgs. Come conseguenza, sono stati ottenuti sempre più risultati per studiare il bosone di Higgs con maggiori dettagli.

Nei prossimi anni, l’analisi dell’ampio set di dati del Run 2 non sarà soltanto un’opportunità per raggiungere un nuovo livello di precisione sulle misurazioni precedenti, ma anche per studiare nuovi metodi per saggiare le previsioni del Modello Standard e per testare la presenza di nuova fisica nel modo più indipendente possibile dal Modello. Questo nuovo livello di precisione farà affidamento su una comprensione più profonda delle prestazioni del rilevatore, così come delle simulazioni e degli algoritmi usati per identificare le particelle che ci passano attraverso. Esso inoltre rappresenta nuove sfide per i teorici che dovranno tenersi al passo con il perfezionamento della precisione sperimentale.

A lungo termine, un altro grande passo nelle prestazioni sarà portato dall’Alta-Luminosità (High-Luminosity) LHC (HL-LHC), la cui entrata in funzione è pianificata per il 2024. Il HL-LHC aumenterà il numero di collisioni di un altro fattore 10. Questa aprirà, tra le varie misure, la possibilità di investigare una vera proprietà peculiare del bosone di Higgs: esso si accoppia a se stesso. Eventi prodotti tramite questo accoppiamento mostrano due bosoni di Higgs nello stato finale, ma sono estremamente rari. Pertanto, essi possono essere studiati solo con un grande numero di collisioni e usando sofisticate tecniche di analisi. Per complementare l’accresciuta prestazione di LHC, i rilevatori di ATLAS e CMS dovranno subire aggiornamenti completi negli anni prima di HL-LHC.

Da un punto di vista più generale, la scoperta del bosone di Higgs ad una massa di 125 GeV pone una nuova base su cui costruire la fisica delle particelle. Nel campo rimangono molte domande, la maggior parte delle quali ha qualche relazione col settore di Higgs. Per esempio:

• Una teoria popolare oltre il Modello Standard è “la supersimmetria”, la quale presenta qualità per la risoluzione di problemi correnti, come la natura della materia oscura. La versione minimale della supersimmetria prevede che la massa del bosone di Higgs sia minore di 120-130GeV e dipende da altri parametri. È una coincidenza che il valore osservato stia esattamente a questo valore critico, ancora marginalmente compatibile con questo modello di supersimmetria?
• Recentemente sono stati proposti svariati modelli in cui l’unico collegamento tra la materia oscura e la materia ordinaria avverrebbe attraverso il bosone di Higgs.
• La stabilità dell’universo: il valore di 125 GeV è pressoché al limite critico tra un universo stabile e meta-stabile. Un sistema meta-stabile possiede un altro stato di riferimento, in cui esso può decadere ogni volta a causa di un tunneling quantistico. È anche questa una coincidenza?
• La transizione di fase: i dettagli di questa transizione potrebbero avere un ruolo nel processo che conduce il nostro universo ad essere costituito interamente da materia e non contenere per niente l’anti-materia. I calcoli attuali con solo il Modello Standard del bosone di Higgs sono inconsistenti con l’asimmetria tra la materia e l’antimateria osservata. È questa una individuazione di una nuova fisica o solo l’effetto di calcoli incompleti?
• Le masse dei fermioni sono tutte collegate al campo del bosone di Higgs? Se si, perché c’è una così ampia varietà di masse dei fermioni che vanno dalle frazioni di elettron-volt per il misterioso neutrino fino al più pesante dei quark, con una massa nell’ordine di centinaia di miliardi di elettron-volt?

Da quello che abbiamo imparato fino ad ora, il bosone di Higgs sembra avere un ruolo veramente speciale in natura… È in grado di mostrarci come rispondere a questi ulteriori quesiti?

Gli autori

Heather Gray è una fisica sperimentale al Lawrence Berkeley National Lab, USA. È un membro dell’esperimento di ATLAS al Large Hadron Collider del CERN al quale ha contribuito in svariati modi, inclusa la misurazione dell’interazione del bosone di Higgs con i quarks.

Bruno Mansoulié è uno scienziato al CEA-IRFU, Saclay, Francia. Ha lavorato sia come fisico teorico che sperimentale, ed è un membro fondatore di ATLAS dove ha portato a termine, tra l’altro le analisi combinate sul bosone di Higgs e ha guidato il gruppo di lavoro di Higgs.

Entrambi hanno la passione per la comunicazione della fisica delle particelle ai non specialisti.

Articolo tradotto nell’ambito del progetto di Alternanza Scuola Lavoro AS 2018/19 dagli studenti del Liceo scientifico Louis Pasteur di Roma:

Del Proposto Andrea, Di Nunno Martina, Elgouhari Nadia, Guelpa Maria Ludovica