domenica 18 dicembre 2011

Il Bosone di Higgs e le pagine dell'album di figurine

Da sinistra: Fabiola Gianotti, responsabile
dell'esperimento ATLAS,  Rolf Dieter-Heuer,
direttore del CERN,  Guido Tonelli,
responsabile dell'esperimento CMS
Lo scorso 13 dicembre nel corso di due seminari al CERN di Ginevra, sono state annunciate prove dell'osservazione del "bosone di Higgs", la particella elementare che mancava all'appello del "modello standard", la teoria fisica che racchiude le nostre conoscenze sul mondo nucleare e subnucleare. 
Anche se il numero di osservazioni di questa particella è ancora troppo basso per garantire con certezza la sua esistenza (e vincere il premio Nobel) si può dire con ragionevole certezza che la figurina mancante per completare la pagina delle particelle elementari a noi note sia stata finalmente attaccata. Tuttavia siamo lungi dal completare l'album:  vari  blog (Amedeo Balbi, Tommaso Dorigo, vixra) hanno raccontato e spiegato in dettaglio questo evento e le sue implicazioni, per cui mi limito a riassumere alcuni fatti essenziali.


Chi è il signor Higgs? Peter Higgs è un fisico scozzese che negli anni '60 ha sviluppato la teoria secondo cui le particelle elementari potessero avere la massa che noi misuriamo. Secondo questa teoria è necessaria l'esistenza di una specifica particella (un bosone) cui  è stato dato il suo nome.

La prima pagina dell'album di figurine,
faticosamente riempita in circa un secolo di ricerche.
 I fermioni (quark, elettroni, neutrini)
 sono nelle prime tre colonne,
i bosoni (cui andrà forse aggiunto l'Higgs)
 nella quarta  (da qui).
E il bosone? Le particelle elementari possono essere divise in due grandi categorie a seconda delle loro proprietà statistiche e microscopiche: bosoni e fermioni. I bosoni derivano il loro nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose ed i fermioni dal 'nostro' Enrico Fermi. A grandi linee, le forze fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, debole, gravitazionale) sono esercitate tramite bosoni, mentre la materia (atomi, nuclei) è composta di fermioni. Un bosone per tutti: la luce (o meglio il fotone). Un fermione per tutti: l'elettrone. 

Perchè è importante questo bosone di Higgs? Perchè se non si trova, o se lo si trova con caratteristiche (ad esempio la massa) diverse da quello che prevede la teoria, allora la teoria è sbagliata e va modificata. Il modello standard non crollerebbe come un castello di carte, ma avrebbe bisogno di una bella ristrutturazione. Per fortuna (o per sfortuna?) la massa del bosone di Higgs misurata da ATLAS e CMS sembrerebbe una di quelle più attese dal modello standard. 

Ma perché è chiamata la particella di Dio? Il nome non ha alcun senso. Compare nel libro di Leon Lederman, ma è frutto di una censura dell'editore, dato che l'autore l'aveva originariamente chiamato "la particella dannata" (the goddamn particle), perché terribilmente difficile a trovarsi (il che, detto da un premio Nobel per i neutrini - che possono attraversare la terra senza batter ciglio - la dice lunga). 

Dove è stato trovato? Ai laboratori internazionali del CERN di Ginevra, cui l'Italia partecipa con vari istituti (tra cui l'INFN) ed Università. 

Perchè si trova solo lì? Al CERN è presente il più potente acceleratore di particelle del mondo, LHC (large hadron collider),  ed è attualmente l'unico strumento in grado di  produrre l'elusivo bosone di Higgs (al Tevatron del Fermilab ci hanno provato per anni, ma la macchina non era abbastanza potente). 

Un probabile evento di Higgs che decade in due 
particelle Z che a loro volta producono 2 muoni  ciascuno. 
Dal sito web del CERN, che non vuole correre rischi,
 la didascalia  del CERN infatti aggiunge: 
Such events are produced by Standard Model processes
without Higgs particles.  They are also (ma anche)
 a possible signature for Higgs particle production. 
(rosso e 'ma anche' sono miei)
Come è stato trovato? Questa particella era presente in abbondanza nei primi istanti di vita dell'universo, poi è decaduta completamente. Per osservarla è necessario un acceleratore di particelle con una energia ed una intensità tale da produrre questa particella. Nel tunnel sotterraneo vengono fatti circolare fasci di particelle ed antiparticelle sino a farli scontrare. Nell'urto si produce ogni sorta di fermioni e bosoni. I rivelatori di particelle (in questo caso ATLAS ed CMS) sono in grado di fotografare la forma dell'interazione e delle tracce ed identificare così l'Higgs tra la marea (marasma?) di altre particelle elementari. 

Ma è stato trovato per davvero? Che è questa storia delle sigma? Molto probabilmente sì. Due rivelatori distinti, ATLAS e CMS, hanno rivelato tracce diverse riconducibili - in maniera indipendente - ad un bosone di Higgs con massa pari a 126 GeV. Non possono dare l'annuncio della scoperta perchè il numero di tracce osservate è troppo esiguo e c'è sempre la probabilità di un errore. Il numero di sigma  quantifica la probabilità di uno sbaglio: poche sigma (male) implica un'alta probabilità di errore, tante sigma implica la  ragionevole certezza della scoperta. Per alcune spiegazioni sulla sigma e la significatività del risultato, vedete qui, anche se per un commento caustico ed aggiornato sugli usi errati della statistica da parte dei giornalisti vi  rimando ad un recente preprint di D'Agostini (saltate l'abstract che è più ostico e leggete l'articolo che è molto meno tecnico).

Ma allora non potevano aspettare? No, perché l'evidenza è tale da meritare un annuncio. In questa maniera tutti coloro  che lavorano sull'argomento possono beneficiare dei nuovi risultati. Inoltre  i vari  esperimenti sono tra loro concorrenti e  c'è sempre il rischio che la scoperta del secolo venga soffiata a colpi di articoli (è già successo tante volte). Inoltre il numero di sigma di ciascuno dei due esperimenti è superiore a quello dei test clinici di molte medicine. 
La divisione della massa nell'universo. Stelle e gas
costituiscono il solo 4%. Materia ed energia oscura
 ammontano a  più del 90%  ma non ne sappiamo quasi
nulla.

Quindi abbiamo finito? No: innanzitutto per dichiarare la scoperta sarà necessario osservare molte più particelle, e studiarne la natura, il decadimento ed i processi. Inoltre le osservazioni astronomiche, dalla nostra galassia agli ammassi più lontani, ci mostrano che tutte le stelle, i pianeti, il gas interstellare sono costituiti da  particelle del modello standard ma ammontano a solo circa 4% della massa dell'universo: di questo almeno il 23% è costituito da "materia oscura" (la natura del restante 73% è ancora più misteriosa). Anche questo termine è fuorviante, in quanto "trasparente" sarebbe più esatto, visto che non c'è modo di vederla con la luce delle stelle. Si tratta di una particella sconosciuta, che non appartiene alla pagina dell'album appena completata, ma probabilmente ad una pagina nuova di zecca, tutta ancora da scoprire. Alcune teorie - dette supersimmetriche - prevedono che LHC sarà in grado di osservare in futuro anche questa particella.