venerdì 3 luglio 2015

I prossimi impegni del Large Hadron Collider (LHC) del CERN: dal campo di Higgs alla Supersimmetria.

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Anche se il bosone di Higgs fosse davvero l'ultimo e conclusivo elemento nell'elenco dei personaggi necessari per descrivere il nostro mondo, più del 90% dell'Universo è costituito da "materia oscura", che non risplende ma prodigalmente offre la forza gravitazionale che tiene insieme le galassie fatte di stelle. Tra le particelle note nessuna può candidarsi nella lista di quelle particelle che andrebbero a costituire la materia oscura; tuttavia, la teoria della supersimmetria comprende tale possibilità (il che la rende ancora più interessante). Ammettendo però che le particelle supersimmetriche esistano, si presenta subito la domanda su come esse acquisiscano la loro massa. Qualcuno quindi potrebbe pensare che esista un'intera famiglia di "higgsoni", che aspettano solo di essere scoperti. Una parentesi: Nell'agosto del 2012, G.Fraser e M.Riordan ipotizzarono che, dopo la scoperta del bosone di Higgs, si dovesse utilizzare il termine "higgson" (con l'iniziale minuscola) per indicare genericamente tutti i membri della famiglia delle particelle associate a questo campo che pervade tutto il mondo naturale. È possibile quindi che la famiglia consista di un solo rappresentante: il bosone di Higgs (scoperto nel luglio del 2012), oppure che comprenda molti altri "gemelli". Questa è una delle domande a cui si potrebbe rispondere con i futuri esperimenti del Large Hadron Collider di Ginevra (LHC). Parentesi chiusa.
Il bosone di Higgs comunque, non è la fonte di tutta la massa, ma soltanto di quella delle particelle davvero essenziali. Sono i nuclei degli atomi presenti nel vostro corpo a dar origine al 99,5% della vostra massa. E questa caratteristica non ha nulla a che vedere con il campo di Higgs, ma è la conseguenza del confinamento dei quark nei nucleoni. Ciò che il campo di Higgs potenzialmente fa, è dare una struttura agli oggetti materiali agendo sulle particelle fondamentali come gli elettroni, che si trovano nelle regioni più esterne degli atomi, e come i quark, che sono i "semi" essenziali del nucleo atomico. Il peso di un essere umano o di qualsiasi altro oggetto del mondo materiale dunque, ha ben poco a che fare con il "meccanismo di Higgs"; a giocare un ruolo fondamentale, sono le dimensioni (volume) degli oggetti considerati. Le dimensioni di un atomo di idrogeno sono determinate dalla costante di struttura fine (che vale, approssimativamente, 1/137) e dalla massa dell'elettrone. Se la massa dell'elettrone fosse nulla, l'atomo di idrogeno avrebbe dimensioni infinite (in parole povere: non potrebbe esistere!). Sull'entità della massa del protone non ha un effetto rilevante, il fatto che i quark abbiano massa oppure no. Tuttavia, per i principi della simmetria chirale, le masse del quark up e del quark down, sono proporzionali al quadrato della massa di un pione. Il pione è mediatore della potente attrazione fra protoni e neutroni, che formano i nuclei atomici. L'entità di questa interazione è inversamente proporzionale alla massa del pione, e dunque anche alla massa dei quark. Se i quark fossero privi di massa e lo fosse anche il pione, il raggio d'azione dell'interazione nucleare forte sarebbe infinito. Dunque l'esistenza di nuclei complessi e compatti, che sono, a loro volta, i "semi" degli atomi degli elementi chimici, è una conseguenza del fatto che i quark hanno massa.
Se, come sembra probabile, oggi sappiamo davvero come le particelle fondamentali acquisiscano la massa, rimane però aperta la questione del perché esse abbiano proprio quella particolare massa. Se l'elettrone avesse una massa appena un po' più grande di quella che ha, gli essenziali fenomeni radioattivi del decadimento beta non si verificherebbero, gli elementi chimici non si formerebbero e dulcis in fundo ...noi non esisteremmo! Se invece la sua massa fosse minore di quella accertata, questi processi si svolgerebbero in un modo diverso, ma ancora una volta in modo sfavorevole allo sviluppo della vita. 
I futuri esperimenti con l'LHC, potrebbero rivelare proprio ciò che determina esattamente l'intensità dell'affinità del bosone di Higgs, per una particella o per un'altra; ma per farlo, tali esperimenti dovrebbero fornirci qualche "dato bizzarro", imprevedibile, da interpretare come un indizio che possa guidarci in ulteriori ricerche. Allo stato attuale, lo schema ordinato presentato dalle masse delle particelle e quello delle varie forze, rimangono un assoluto mistero. Una domanda importante, che i fisici si pongono, è dunque la seguente: Il bosone di Higgs, conferisce la massa soltanto ai mediatori delle interazioni (i "bosoni di gauge", come era previsto nella formulazione dell'ipotesi), oppure è anche responsabile della massa dei fermioni (ovvero dei componenti fondamentali della materia; tra i quali il quark e l'elettrone)? Forse entro la fine di quest'anno lo sapremo. 
Oggi abbiamo i primi indizi del fatto che il vuoto, oltre ad essere permeato dai campi gravitazionale ed elettromagnetico, è anche "pieno" di un altro influsso: quello del campo di Higgs. Mentre i fenomeni descritti in elettrodinamica quantistica (QED) sono insensibili al campo di Higgs, l'interazione nucleare debole ne avverte, profondamente e intensamente, l'influsso. Gerard 't Hooft ha indicato come sia possibile spiegare adeguatamente l'interazione debole, se la caratteristica indicata per secoli con il termine "massa", è in effetti la manifestazione dell'interagire delle particelle fondamentali con il campo di Higgs. Ciò che i fisici sperimentali stanno facendo al CERN di Ginevra, è accertare l'esistenza di un campo che rompe la simmetria tra le interazioni elettromagnetica e debole, e che sembra influire anche sulle proprietà dei fermioni fondamentali. Ma come questo campo si configuri esattamente (se sia soltanto una sorta di "etere" fondamentale e uniforme che pervade tutto, o se sia formato da costituenti ancora più essenziali, analoghi alle coppie di Cooper della superconduttività, oppure se sia enormemente complesso), sino ad oggi non è ancora noto. La scoperta del bosone di Higgs, permette di continuare a porci ragionevolmente questa domanda. Ma è più complicato determinare come gli higgsoni si condensino in tale campo ubiquitario. Un primo passo avanti in questa indagine, potrebbe aversi producendo due higgsoni in una sola collisione e osservando come interagiscono l'uno con l'altro. Per quanto sia possibile in linea di principio ottenere un tale evento, esso rimane tuttavia eccezionalmente raro. Rilevarlo e studiarlo potrebbe richiedere una macchina specificamente predisposta; come un collisore di elettroni e positroni, le cui energie fossero calibrate per produrre coppie di higgsoni: una realizzazione che, nella migliore delle ipotesi, sembra configurarsi come una speranza a lungo termine.

Bibliografia:
- L'enigma dell'infinito, di Frank Close, Einaudi, Torino, 2013. 

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