Michele Zarrella

Il bosone di Higgs fu teorizzato nel 1964 dai fisici P. Higgs, F. Englert, R. Brout, G. Guralnik, C.R. Hagen, T. Kibble. Secondo la loro teoria, immediatamente dopo il Big Bang si sarebbe creato un campo scalare complesso avente la funzione di dare massa diversa alle diverse particelle elementari che poi si sono aggregate a formare i protoni e poi gli atomi e poi il pulviscolo, i pianeti, le galassie e… giù…giù…noi. Tutto ciò fa girare la testa e venire le vertigini. Nei primi anni l’idea non fu accolta bene, ma poi, visto che le altre strade non davano risultati, si è deciso di metterla alla prova e quindi immaginare degli esperimenti che consentissero di trovare quella fantomatica particella. Inventare e costruire una macchina e degli strumenti necessari per vedere l’invisibile e il mai visto non è certo cosa da poco.

Nei modelli della meccanica quantistica, ogni campo quantistico ha una particella associata, per esempio, il fotone è la particella associata al campo elettromagnetico. Il bosone di Higgs è la particella associata al campo scalare complesso di Higgs. Come bosone scalare ha spin zero. Il campo di Higgs è un’entità invisibile che permea tutto l’Universo e conferisce massa diversa alle diverse particelle. Il bosone di Higgs è una particella dotata di massa che prova l’esistenza del campo di Higgs. Il bosone di Higgs è un pezzo importantissimo della fisica moderna chiamato «Modello Standard». Il Modello Standard cerca di unificare tutte le osservazioni fisiche relative alla realtà con la teoria quantistica. La “caccia” al bosone di Higgs è durata circa 50 anni. 50 anni di fatica, di disastri, di crisi terribili, di cadute e di riprese. Ma alla fine i sacrifici degli sperimentatori sono stati premiati e la loro gioia è stata enorme.

La scienza cerca di dare risposte a quelle domande che l’umanità si è posta fin dai tempi remoti. Alcune risposte sono state trovate. La data ufficiale dell’annuncio della scoperta del bosone di Higgs è il 4 luglio 2012. Fu data al CERN di Ginevra dai portavoce dei due esperimenti Fabiola Giannotti per l’esperimento ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e Joseph Incandela per l’esperimento CMS (Compact Muone Solenoide). Ma già da circa sei mesi gli scienziati del CERN cominciavano ad avere sempre più consapevolezza che alcuni dati mostravano i primi segni di novità che potevano condurre alla scoperta della fantomatica particella. Dati alternanti che una settimana confermavano e l’altra no la presenza del bosone. L’esperimento consisteva nel lanciare in uno scontro dei protoni portati ad una velocità pari al 99,999% della velocità della luce e viaggianti in senso inverso dentro un tubo vuoto avente una circonferenza di 27 km. A tale velocità la massa del protone, posta a riposo pari a 1 Gev, diviene 6500 Gev. Cioè mostruosamente grande. Un protone si ottiene togliendo l’elettrone all’atomo di idrogeno, l’elemento chimico più semplice e più abbondante in natura, formato, appunto, da un protone e un elettrone. Tolto l’elettrone il protone rimane con una carica positiva e quindi lo si può accelerare con dei campi elettrici negativi. Poi con dei campi magnetici lo si riesce a deviare e tenere dentro a questa grande ciambella in cui è fatto il vuoto. Insomma bisogna mandare in pezzi questi protoni per capire cosa c’è dentro. Quindi usando questa grande ciambella di 27 km e facendo girare in essa i protoni fino ad arrivare a 11.000 giri al secondo. Nell’urto, tremendo, i protoni si rompono e uno dei quark che compongono il protone entra in collisione con un compagno dell’altro protone. L’energia dell’urto, secondo la famosa formula di Einstein E = mc2, si può trasformare in massa. E se l’energia è grande si possono formare particelle con massa grande. Il motivo per cui il bosone di Higgs per 50 anni non si è trovato è perché esso ha una massa grande (~125 Gev) e occorrono energie grandi che solo l’LHC (Large Hadron Collider) poteva dare. Quindi si è potuto scoprire solo quando si è potuto usare un acceleratore che ha energie adeguate e rivelatori altrettanto adeguati per rivelarlo.

Una scoperta del genere merita il premio Nobel e infatti Peter Higgs e Francois Englert nel 2013 lo hanno ricevuto. Questa scoperta, al pari di tante altre: penso a Galileo Galilei, Giovanni Keplero, Niccolò Copernico, Isaac Newton, Albert Einstein… è veramente importante perché ha demolito una convinzione che durava da oltre 2.500 anni. Per oltre 2.500 tutti: scienziati, filosofi, studiosi, pensatori hanno concepito che qualsiasi oggetto materiale avesse intrinsecamente una massa. Cioè si è sempre pensato che la materia è così com’è perché ha dentro di sé una massa. La scoperta del bosone di Higgs ci dice di no. Ci dice che la massa è una proprietà acquisita dalle particelle elementari quando si è formato il campo di Higgs, cioè immediatamente dopo il Big Bang. Le particelle elementari, gli elettroni, i quark, ecc. sono prive di massa, ma interagendo con il campo di Higgs, o vuoto elettrodebole, che pervade tutto l’Universo acquisiscono masse diverse a seconda della loro maggiore o minore interazione col campo di Higgs. Questo è molto importante per la nostra esistenza e per l’esistenza di tutto questo meraviglioso Universo che conosciamo. Infatti la materia persistente di cui siamo fatti noi, ma di cui sono fatti anche la sedia, gli alberi, il pianeta, il Sole, le stelle, le galassie, nasce da questo particolare e preciso meccanismo. Noi, come tutta la materia, siamo fatti di molecole che a loro volta sono fatte di atomi che sono fatti di protoni e elettroni. Ma se i quark up e down non avessero proprio quella precisa piccola massa non potrebbero formare giusto quei protoni di carica positiva che conosciamo stabili e inalterabili da 13,80 miliardi di anni. E così gli elettroni di carica negativa se non avessero proprio quella massa che hanno non potrebbero orbitare attorno ai protoni e costituire gli atomi. Gli atomi, così formatisi, hanno potuto formare le stelle, i pianeti, le molecole e poi gli organi e poi… e poi… noi. Insomma se l’interazione con il campo di Higgs non fosse stata giusto quella che è avremmo avuto un altro universo non questo Universo di cui siamo ospiti. Pertanto siamo in un equilibrio molto preciso ma anche abbastanza precario e quindi fragile.

La scoperta del bosone di Higgs e il suo delicato meccanismo di assegnare massa diversa alle diverse particelle elementari rende preziosa e fragile qualunque struttura materiale. Se questo meccanismo dovesse andare in crisi l’intero Universo crollerebbe in un istante: perfino quei corpi celesti come la Luna, i pianeti e le stelle che nell’antichità i nostri antenati avevano individuato come entità perfette, eterne e divine andrebbero in frantumi immediatamente. Pertanto la scoperta del campo di Higgs ci dice che qualsiasi struttura materiale, sia essa una molecola, un uomo, un pianeta, una stella o una galassia, è preziosa ma fragile, perché il meccanismo di Higgs si può rompere, si può spezzare. In effetti abbiamo scoperto che tutte le strutture, grandi o piccole, hanno una storia con un inizio e una fine; che l’Universo intero ha una sua storia con una sua formazione e soprattutto con una sua fragilità. Insomma siamo tutti figli delle stelle ma fragili non solo noi ma tutto ciò che è in questo Universo. Quindi la nostra fragilità non è un’anomalia ma è condivisa in tutto l’Universo. La fragilità è un elemento intrinseco a tutte le strutture materiali comprese quelle che abbiamo sempre considerato perfette, eterne e immutabili e che abbiamo venerato per millenni.

La scoperta del bosone di Higgs conferma dunque la estrema finezza, quasi insignificanza della nostra presenza in questo grandissimo palcoscenico che è l’Universo. Noi e tutto il nostro sistema solare siamo un’entità insignificante della nostra galassia, la quale, a sua volta, è un’entità insignificante fra i tanti ammassi di galassie mostruosamente grandi. Questa consapevolezza di essere veramente un’entità piccolissima di quest’enorme e fragile palcoscenico è confermato (Galilei, Copernico, Newton, Einstein, ecc.) ed è rafforzato sempre più dalla fisica contemporanea: dalla scoperta del bosone di Higgs.