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Il Bosone di Higgs e la massa delle particelle

31 Jul , 2012  

Il Bosone di Higgs e la massa delle particelle

by Domizia Orestano on

La fisica delle particelle ha esplorato nel corso dell’ultimo secolo la materia su distanze sempre più piccole fino ad arrivare a definire dei blocchi elementari, non ulteriormente scindibili, che costituirebbero tutta la materia, sia quella ordinaria e stabile (gli atomi di cui siamo fatti) che quella prodotta nei primi istanti di vita dell’Universo. Quest’ultima e` instabile, e anche quando viene riottenuta in laboratorio e` destinata a tramutarsi rapidamente in materia ordinaria.

La tabella sottostante riassume le 12 particelle elementari di materia a noi note, sono tutti fermioni (particelle con momento angolare intrinseco 1/2), alcuni risentono anche delle interazioni forti, i quark, altri solo delle interazioni deboli e elettromagnetiche, i leptoni. La materia ordinaria e` costituita da quark up e down, che si legano per formare protoni e neutroni e quindi i nuclei atomici, da elettroni, e da neutrini. Questi ultimi vengono emessi nelle reazioni che trasformano i protoni in neutroni (e viceversa nel caso degli anti-neutirni), ovvero nei decadimenti nucleari.

Coppie di fermioni elementari noti:

a destra e` riportata la carica elettrica in unita` di carica elementare (carica dell’elettrone cambiata di segno) di tutte le particelle elencate nella riga

quark u (up)

d( down)

c (charm)

s (strange)

t (top)

b (bottom)

+2/3

-1/3

leptoni νe (neutrino e)

e (elettrone)

νμ (neutrino μ)

μ (muone)

ντ (neutrino τ)

τ (tau)

  0

-1

 

 

La fisica delle particelle descrive le interazioni tra particelle elementari mediante una teoria quantistica e relativistica che oltre a godere di proprieta` di simmetria molto apprezzate dai fisici e dai matematici prevede tra le altre cose l’unificazione delle interazioni elettromagnetiche e delle interazioni deboli. Elettricitá, magnetismo, luce, alcuni tipi di radioattivitá, sarebbero quindi manifestazioni di un’unica forza sottostante, la forza elettrodebole.

 

Le tre forze fondamentali che governano le interazioni tra le particelle elementari

Forza Bosoni mediatori Alcune delle caratteristiche principali
elettromagnetica

agisce sui quark, leptoni e bosoni elettricamente carichi

ha raggio d’azione illimitato

fotone γ

ha massa nulla

particella con stessa carica si respingono

particelle con carica opposta si attraggono

lega gli elettroni ai nuclei atonici e determina i legami molecolari

forte

agisce solo su quark e gluoni

ha un raggio d’azione inferiore a 10-15 m

gluoni g

sono 8

hanno massa nulla

lega i quark tra loro per formare particelle composte quali neutrone e protone

lefg tra loro protoni e neutroni nei nuclei

debole

agisce su tutti i quark e leptoni

ha un raggio d’azione inferiore a 10-18 m

 

 

carica

 

 

 

neutra

 

 

 

 

 

bosoni W+ e W

massa 80,4 GeV

 

 

bosone Z0

massa 91,2 GeV

e` responsabile dei decadimenti β nucleari

permette i processi di fusione nucleare che alimentano le stelle

trasforma i quark della riga superiore in quelli della riga inferiore e viceversa

trasforma i leptoni della riga superiore in quelli della riga inferiore e viceversa

 

 

Le equazioni fondamentali della teoria unificata descrivono correttamente la forza elettrodebole e le particelle che hanno il ruolo di suoi trasmettitori: il fotone e i bosoni W e Z, ad eccezione di un dettaglio non marginale. Tutte queste particelle mediatrici della forza si trovano a non avere una massa. Mentre cio` e` vero per il fotone, non lo é per W e Z che hanno una massa pari a 100 volte quella del protone. Cio` e` ben noto sia dall’osservazione diretta di queste particelle (che per inciso sono state scoperte al CERN agli inizi degli anni ’80, scoperta per laquale Carlo Rubbia e` stato insignito del premio Nobel per la Fisica) sia dalle proprieta` delle interazioni deboli nucleari. Se il bosone W non avesse massa la sua azione si estenderebbe su distanze infinite, come quella del fotone, e l’intensita` dell’interazione nucleare detta debole non sarebbe piu` tale. Il nostro mondo sarebbe diverso: molti nuclei pesanti decadrebbero piu` velocemente, le stelle brucerebbero piu` in fretta, non saremmo piu` trasparenti per il migliaio di miliardi di neutrini provenienti dal Sole che ci attraversano ogni secondo.
Fortunatamente per noi cosi` non e` in natura e fortunatamente per la teoria i fisici teorici Robert Brout, François Englert e  Peter Higgs hanno trovato un meccanismo in grado di spiegare l’acquisizione della massa per W e Z senza alterare l’essenza del modello teorico. Il meccanismo richiede l’interazione dei bosoni W e Z con un campo invisibile, ormai noto come campo di Higgs, che pervade l’Universo.

Il campo di Higgs, nullo negli istanti successivi al Big Bang, dovrebbe essere cresciuto spontaneamente durante il successivo raffreddamento dell’Universo fornendo massa a tutte le particelle interagenti con esso. Maggiore e` l’interazione di una particella con il campo di Higgs maggiore sarebbe la sua massa Le particelle prive di interazione con il campo di Higgs, come il fotone, rimarrebbero prive di massa. In meccanica quantistica relativistica ad un campo e` sempre associata una particella, il bosone di Higgs sarebbe la particella associata al campo di Higgs, un po` come un’onda sulla superficie del mare.

Per quanto semplificate possono essere utili a chiarire l’azione del bosone di Higgs e la sua relazione con il campo di Higgs le analogie fornite (in inglese) in

The basics of the Higgs boson – Dave Barney and Steve Goldfarb
Un moderno “Dialogo” tra un fisico, Dave, e un cantante blues, Steve, del quale si riporta qualche frammento.

Dave: “Un ipotetico invisibile campo di forza che pervade l’intero Universo.”
Steve: “Ma se pervade l’intero Universo come mai non lo abbiamo mai visto? E’ un pó strano…”
Dave: “Nemmeno poi tanto. Pensa all’aria intorno a noi: non possiamo vederla, annusarla (salvo qualche eccezione…), ma possiamo rivelarla mediante attrezzature sofisticate come i nostri stessi corpi. Il fatto si non poter vedere qualcosa rende solo un pó più difficile capire se ci sia o meno.”
Steve: “Va bene, continua.”
Dave: “Cosi` noi crediamo che questo campo di Higgs sia tutto intorno a noi ovunque nell’Universo e cio` che fa e` piuttosto speciale: fornisce la massa alle particelle elementari.”
[…]
Steve: “Allora come fa questo campo di Higgs a spiegare la massa delle particelle?”
Dave: “Quando una particella passa attraverso il campo di Higgs interagisce e riceve massa, piu` interagisce piu` massa acquisisce.”
Steve: “[…] Ma é veramente cosi` importante? Cosa succederebbe senza campo di Higgs?”
Dave: “Se non ci fosse il campo di Higgs il mondo non esisterebbe affatto, non ci sarebbero ne` stelle ne` pianeti, niente aria, nulla di nulla, neanche il cucchiaino di gelato che stai mangiando.”
Steve: “Sarebbe terribile! Ok, ma il bosone di Higgs che c’entra?”
Dave:” “Vedi la ciliegina sul mio milk shake?”
Steve: “Posso averla?”
Dave: “No, non ancora, dobbiamo prima usarla in un’analogia.”
Steve: “A bene, la ciliegia e` il bosone di Higgs?”
Dave: “No, non proprio, la ciliegia e` una particella che si muove attraverso il campo di Higgs, il milk shake. E` il milk shake che fornisce alla ciligia la sua massa.”
[…]
Dave: “Ci vuole un’eccitazione del campo di Higgs per produrre un bosone di Higgs. Se forniamo energia facendo cadere una ciliegia nel milk shake […] lo schizzo stesso del milk shake fuori dal bicchiere e` il bosone di Higgs.”
Steve: “Dici sul serio?”
Dave: “E’ quello che ci insegna la meccanica quantistica. Di fatto tutte le particelle sono eccitazioni di campi.”

Higgs Field explained – Don Lincoln
La piu` nota speigazione divulgativa sul meccanismo di Higgs.

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