Il bosone di Higgs

1. Perché c’è bisogno del bosone di Higgs?

percorso bosonel percorso "Il Bosone di Higgs" è dedicato al protagonista di una delle principali scoperte della fisica contemporanea. Viene presentato il Modello Standard delle particelle elementari, lo schema usato dai fisici per interpretare i costituenti fondamentali della materia e le forze che la tengono insieme o ne provocano la disintegrazione e vengono spiegati i concetti di massa, simmetria e unificazione con continui esempi per guidare il lettore.

 

di Amedeo Balbi, in redazione: pdn, pl

I fisici tentano da decenni di sviluppare un modello teorico (Modello Standard) che consenta di descrivere le quattro interazioni esistenti in natura (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole e gravità) come aspetti di un’unica interazione fondamentale. Il primo passo in questa direzione, compiuto negli anni ‘60 del XX secolo - principalmente grazie al lavoro di Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam - è stata la messa a punto della teoria elettrodebole, che, come dice il nome, è in grado di descrivere congiuntamente l’interazione elettromagnetica e quella nucleare debole.

 

     
   

 
  Bosoni mediatori delle forze fondamentali   Bosoni mediatori  

Tuttavia, il modello elettrodebole originale aveva un problema: non riusciva a spiegare perché le particelle che esistono in natura hanno massa e, per di più, masse molto diverse tra loro. La massa gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento dell’Universo. Ad esempio, l’elettrone icona_glossario che tutti conosciamo è un elemento essenziale dell’atomo; la natura, secondo una logica non ancora chiara, ne ha realizzate due copie apparentemente ridondanti (il muone icona_glossario ed il tau icona_glossario ) che differiscono solo per la loro massa. Un altro esempio riguarda i quarks icona_glossario di cui esistono sei varietà: tre con carica elettrica positiva (up, charm, top) e tre con carica elettrica negativa (down, strange e bottom) . Se non fosse per la loro massa , i quark con carica positiva e negativa apparirebbero quasi identici. Ad esempio il quark up (che è un costituente del protone) è simile al quark charm, eccetto che il secondo pesa quanto un atomo di idrogeno, mentre il quark top pesa addirittura quanto un atomo di oro. Il Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali presenta strutture e simmetrie che sono state fino a vent’anni fa nascoste dalla massa. Ad esempio le intensità delle forze elettromagnetica e debole sono intrinsecamente uguali, ma i loro effetti differiscono a causa della massa. Il fotone, la particella che trasmette la forza elettromagnetica, non ha massa e viaggia nello spazio alla velocità della luce. Di contro, le particelle analoghe che trasmettono la forza debole, i bosoni W e Z , pesano più di un atomo di ferro. La loro grande massa ne limita il raggio d’azione, rendendo la forza debole realmente debole.

 

Una delle domande principali che la fisica moderna si pone è: da dove nasce la massa?

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La soluzione proposta si basa sul lavoro teorico svolto indipendentemente, negli anni ’60, da Peter Higgs icona_minibiografia, da François Englert icona_quantibiocon Robert Brout e da Gerald Guralnik icona_quantibio con C. R. Hagen icona_quantibio e Tom Kibbleicona_quantibio .

Il meccanismo risultante (che viene indicato con il nome del solo Higgs), si basa sull’idea di rottura spontanea di simmetria.

 

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