10 anni di bosone di Higgs
Dieci anni fa, il 4 luglio 2012, in un seminario dato al CERN dai portavoce degli esperimenti ATLAS e CMS, Fabiola Gianotti (ora direttrice del CERN) e Joe Incandela, è stata annunciata la scoperta di una nuova particella fondamentale, il bosone di Higgs.
Il meccanismo di Higgs che prevede l’esistenza di questa particella, fu introdotto da Peter Higgs, Francois Englert, Robert Brout e altri teorici per risolvere un problema teorico profondo che si è posto agli albori della formulazione del Modello Standard delle Particelle Elementari. Il Modello Standard è la teoria che ad oggi meglio descrive le interazioni tra le particelle e l’origine delle forze, macroscopiche e microscopiche, che caratterizzano quasi tutto ciò che ci circonda. Il campo di applicazione del Modello Standard va dalla materia ordinaria, alle stelle, agli atomi, ai nuclei e i loro componenti.
La forza elettromagnetica che tiene uniti gli atomi e le molecole delle sostanze, la forza debole, responsabile della radioattività naturale, e la forza nucleare che consente ai nuclei di non esplodere respinti dalla repulsione coulombiana, sono tutte descrivibili all’interno di questo modello.
Prima dell’introduzione del bosone di Higgs, il Modello Standard presentava un problema difficile da risolvere. Se le particelle del modello avevano una massa, come gli elettroni, le particelle che costituiscono i protoni e i neutroni (i quarks) e i responsabili dei decadimenti deboli (bosoni W e Z), la teoria diventava inconsistente. Alcuni processi avvenivano con probabilità infinita (violazione dell’unitarietà) e la teoria diventava non predittiva, ossia era impossibile a partire da un numero finito di parametri noti (masse, cariche, costanti di accoppiamento) predire un qualunque processo tra particelle con una precisione arbitrariamente elevata. Questa mancanza avrebbe significato o la rinuncia ad un aspetto fondamentale delle teorie scientifiche, la capacità non solo di descrivere i fenomeni osservati ma anche di predire nuovi fenomeni con precisione arbitrariamente elevata, o l’abbandono del Modello Standard come una teoria capace di descrivere il mondo come lo conosciamo ad ogni scala energetica: dall’energia tipica della vita ordinaria, fino alle energie tipiche delle fusioni stellari e l’energia presente al momento della formazione del nostro universo.
Il bosone di Higgs introduce nuovi processi all’interno del modello che consentono di risolvere i problemi descritti sopra. Affinché questo meccanismo funzioni, il bosone di Higgs deve accoppiarsi alle particelle del Modello Standard tanto di più quanto maggiore è la loro massa.
In Figura 1 è rappresentata la massa di alcune particelle note: è evidente che il bosone di Higgs si accoppia principalmente al quark top e ai bosoni W e Z che sono le particelle più massive.
Ad LHC si fanno collidere protoni tra loro per produrre particelle più pesanti come il bosone di Higgs. All’interno dei protoni ci sono i quark u e d, e i gluoni. I quark u e d sono tuttavia troppo leggeri per produrre il bosone di Higgs tramite accoppiamento diretto (abbiamo detto che il bosone di Higgs preferisce le particelle pesanti) pertanto per produrlo è necessario che i quark e i gluoni producano delle particelle intermedie, più pesanti, che a loro volta si accoppiano al bosone di Higgs. Un esempio di questi processi è mostrato in Figura 2.
Al momento della scoperta solo il processo più probabile tra i quattro ha contribuito all’osservazione, la fusione di gluoni. I gluoni presenti all’interno di un protone hanno una caratteristica importante, la loro abbondanza è tanto maggiore quanto minore è la loro energia in rapporto all’energia di tutto il protone. Poiché l’energia dei gluoni è quella necessaria a produrre il bosone di Higgs, è stato necessario produrre una macchina di altissima energia, come LHC, per produrre gluoni di energia sufficiente a creare un bosone di Higgs. L’energia di LHC al momento della scoperta era infatti 8 TeV, mentre il bosone di Higgs pesa “soltanto” 0.125 TeV, tuttavia solo il 2% dell’energia dei protoni viene trasferita ai gluoni. Questo spiega perché è stato storicamente così difficile trovare il bosone di Higgs. Un esperimento precedente costruito negli Stati Uniti, che lavorava all’energia di circa 2 TeV (l’esperimento che ha scoperto il quark top) non è stato in grado di osservarlo proprio per mancanza di una quantità di dati sufficiente.
Altro aspetto importante che ha caratterizzato la scoperta del bosone di Higgs è stata la rivelazione del canale di decadimento. Il bosone di Higgs, avendo massa di 125 GeV non può decadere in due quark top, la cui massa è 175 GeV, quindi decade nelle particelle più pesanti ad esso accessibili: sono una coppia di bosoni Z, di cui una è reale, e l’altra è virtuale (una particella virtuale è una particella che non si trova al suo valore di massa nominale, cioè non viene prodotta direttamente nello stato finale, ma può decadere in particelle più leggere prima di propagarsi – misteri della meccanica quantistica) e una coppia di bosoni W+W– . Sia le coppie ZZ che W+W– sono caratterizzate da una notevole quantità di processi di fondo: processi che non sono dovuti al bosone di Higgs, ossia la produzione non risonante di ZZ e W+W–, che possono emulare il bosone di Higgs, per cui identificarlo in questi canali è molto difficile. Nel caso dello stato finale ZZ, se ognuno dei due Z decade in coppie elettrone-positrone (il positrone è l’antiparticella dell’elettrone) o muone – anti-muone, è possibile ricostruire la massa del bosone di Higgs con buona precisione. Inoltre, poiché la massa di due bosoni Z è circa 180 GeV mentre la massa del bosone di Higgs è 125 GeV, tagliando sulla massa del bosone di Higgs ricostruito è possibile eliminare tutto il fondo ZZ. I due bosoni W invece decadono in un leptone più un neutrino: purtroppo non è possibile ricostruire l’energia di un neutrino in un esperimento come ATLAS e CMS, ciò rende estremamente più difficile isolare il bosone di Higgs dal fondo non risonante W+ W+.
A causa della grossa contaminazione di fondo nel canale WW, e dalla bassa presenza di segnale nel canale ZZ, c’è un altro canale di decadimento ha giocato un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs: il canale con due fotoni nello stato finale. Il diagramma che rappresenta il decadimento di un bosone di Higgs in due fotoni è mostrato in Figura 3.
Il bosone di Higgs si accoppia prima a due particelle cariche virtuali, bosoni W o quark top, che essendo carichi possono produrre fotoni nello stato finale. Poiché il processo avviene tramite particelle virtuali la sua probabilità è molto bassa, tuttavia i fotoni prodotti sono facilmente rivelabili dagli esperimenti ATLAS e CMS e la probabilità di rivelare il segnale è molto alta. Inoltre, la massa del bosone di Higgs quando decade in due fotoni è ricostruibile con precisione elevata. In questo modo il segnale è facilmente distinguibile dal fondo, che invece presenta una distribuzione continua.
In Figura 4 sono visibili i grafici pubblicati dall’esperimento ATLAS nel luglio 2012 in cui è possibile individuare il bosone di Higgs osservato nei canali γγ, ZZ e WW. Mentre i canali γγ e ZZ furono mostrati nel seminario del 4 luglio, i risultati del canale WW erano ancora in fase di verifica e furono pubblicati qualche settimana dopo.
Nei dieci anni dopo la scoperta, LHC ha acquisito una quantità di dati circa 10 volte maggiore rispetto all’anno della scoperta e a un’energia nel centro di massa pari a 13 TeV. Con questi dati è stato possibile osservare il bosone di Higgs in altri canali di decadimento: b – anti-b,
τ+τ– ed in tutti i canali di produzione: ggF, VBF, VH, ttH. Utilizzando queste misure è possibile verificare se l’accoppiamento del bosone di Higgs alle masse delle particelle è effettivamente quello previsto dal Modello Standard. I risultati sono mostrati in Figura 5.
Inoltre è stato misurato lo spin del bosone di Higgs, utilizzando le informazioni angolari dei prodotti di decadimento, ottenendo un valore pari a 0. Altri due numeri quantici che caratterizzano il comportamento delle particelle per riflessioni spaziali e per trasformazioni che scambiano il ruolo delle particelle e delle antiparticelle sono stati misurati, ottenendo come risultato un valore positivo, come atteso dal Modello Standard.
Oggi l’interesse delle collaborazioni sperimentali è quello di trovare segni di fisica oltre il Modello Standard nelle proprietà del bosone di Higgs. Il bosone di Higgs infatti ha un ruolo speciale all’interno del Modello Standard: gli accoppiamenti alle particelle avvengono tramite costanti arbitrarie e misurabili soltanto sperimentalmente (le masse delle particelle). Ci sono modelli che prevedono l’esistenza di particelle che si accoppiano al Modello Standard esclusivamente tramite il bosone di Higgs, questi modelli sono noti come portali, nel senso che il bosone di Higgs farebbe da tramite tra il mondo come noi lo vediamo e un mondo elusivo, fatto di particelle che sono difficilmente osservabili se non tramite la loro interazione con il bosone di Higgs. La materia oscura, ad esempio, potrebbe essere costituita da particelle che si accoppiano esclusivamente al bosone di Higgs, diventando di fatto difficilmente osservabile. Questi modelli possono essere esplorati in modo più o meno generale misurando deviazioni delle osservazioni dai dati sperimentali. Queste deviazioni si manifestano in coefficienti, chiamati coefficienti di Wilson, che caratterizzano l’entità della deviazione. In Figura 6 è mostrato un grafico con alcuni coefficienti di Wilson misurati: un valore nullo significa che non si osservano deviazioni. È possibile vedere che ci sono coefficienti non nulli, tuttavia le incertezze sulle misure sono ancora elevate ed al momento non è possibile dire se si tratta di deviazioni o semplicemente un effetto degli errori sperimentali. Soltanto l’analisi dei dati che saranno acquisiti nei prossimi anni potrà svelare la presenza di contributi inaspettati.
Un’altra caratteristica peculiare del campo di Higgs (un campo è un oggetto che permea lo spazio, le particelle sono eccitazioni del campo in particolari regioni di spazio, così come i campi elettrici e magnetici si propagano nello spazio dando vita alle onde radio e ai raggi luminosi, i campi di tutte le particelle hanno proprietà di propagazione simili, le eccitazioni del campo elettromagnetico sono i fotoni, le eccitazioni del campo di Higgs sono i bosoni di Higgs) è avere un’energia potenziale, così come una pietra è soggetta all’energia potenziale del campo gravitazionale. Questa energia potenziale contribuisce a quella che viene chiamata energia oscura dell’universo, responsabile dell’espansione accelerata dell’universo odierno. Inoltre il campo di Higgs potrebbe essere alla base del meccanismo che ha determinato l’inflazione cosmologica, una fase in cui l’universo ha subito un’accelerazione esponenziale, spinta dall’energia liberata dalla caduta del campo di Higgs verso il minimo del suo potenziale. Affinché questa ipotesi possa essere confermata, è necessario studiare il potenziale di Higgs con grande precisione. L’esperimento ATLAS è in procinto di studiarlo utilizzando sia la produzione di coppie di bosoni di Higgs, che è sensibile al potenziale, che i canali di produzione e decadimento del bosone di Higgs. I risultati sono mostrati in Figura 7.
Dopo 10 anni dalla scoperta, lo studio del bosone di Higgs è più attivo che mai! Il bosone di Higgs, dallo status di particella da cacciare e stanare nei dati scarsi del periodo della scoperta, è ora un oggetto ben noto da studiare in ogni possibile dettaglio e che potrebbe svelare nuove sorprese. È inoltre connesso ad alcuni dei problemi più noti del nostro tempo, la materia oscura, l’energia oscura, l’inflazione. Solo gli esperimenti futuri, ad LHC e oltre LHC, potranno fornire una soluzione a questi problemi.
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