Nota del redattore: l'8 ottobre 2013, Peter Higgs e Francois Englert hanno vinto il premio Nobel per la fisica per il loro lavoro sul bosone di Higgs. Di seguito, il nostro editorialista scientifico Brian Greene spiega la scienza alla base della scoperta.
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Il rivelatore ATLAS, uno dei due esperimenti per individuare l'elusivo bosone di Higgs in frammenti di particelle al Large Hadron Collider del CERN, pesa fino a centomila 747 getti e ospita oltre 1.800 miglia di cavo. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Il solenoide Muon compatto presso il Large Hadron Collider cattura particelle nell'atto. (Michael Hoch / CERN) 
Torna al tavolo da disegno: il fisico Peter Higgs scarabocchia la sua famosa equazione che descrive la fonte della massa di una particella. Ci vorrebbe mezzo secolo per dimostrarsi vero. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Il team lavora con il rivelatore ATLAS, uno dei due esperimenti per individuare l'elusivo bosone di Higgs negli smashup di particelle. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Prima dell'installazione, parti del rivelatore CMS vivevano in una stanza di pulizia del CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Il magnete nel rivelatore CMS produce un campo magnetico 100.000 volte più forte di quello terrestre. (Gobin / CERN) 
Un primo piano del rivelatore CMS: uno dei due esperimenti per rilevare le firme del bosone di Higgs. (Gobin / CERN) 
Sebbene il bosone di Higgs appaia troppo brevemente per essere rilevato direttamente, i fisici del CMS possono dedurne l'esistenza studiando le docce di particelle lasciate dopo le collisioni protone-protone. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
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- Arte e scienza si scontrano alla scoperta del bosone di Higgs
Una famosa storia negli annali della fisica racconta di un bambino di 5 anni Albert Einstein, malato nel letto, che riceve una bussola giocattolo da suo padre. Il ragazzo era sia perplesso che ipnotizzato dalle forze invisibili al lavoro, reindirizzando l'ago della bussola per puntare a nord ogni volta che la sua posizione di riposo era disturbata. Quell'esperienza, avrebbe poi affermato Einstein, lo convinse che c'era un profondo ordine nascosto nella natura e lo spinse a passare la vita cercando di rivelarlo.
Sebbene la storia abbia più di un secolo, l'enigma che il giovane Einstein ha incontrato risuona con un tema chiave nella fisica contemporanea, fondamentale per il più importante risultato sperimentale nel campo degli ultimi 50 anni: la scoperta, un anno fa questo luglio, del bosone di Higgs.
Lasciatemi spiegare.
La scienza in generale e la fisica in particolare cercano schemi. Allunga una molla due volte più in là e senti due volte la resistenza. Uno schema. Aumenta il volume che occupa un oggetto mantenendo fissa la sua massa e più è alto e galleggia in acqua. Uno schema. Osservando attentamente i modelli, i ricercatori scoprono le leggi fisiche che possono essere espresse nel linguaggio delle equazioni matematiche.
Un modello chiaro è anche evidente nel caso di una bussola: spostarla e l'ago punta di nuovo verso nord. Posso immaginare un giovane Einstein che pensa che ci debba essere una legge generale che stabilisce che gli aghi metallici sospesi vengano spinti a nord. Ma tale legge non esiste. Quando c'è un campo magnetico in una regione, alcuni oggetti metallici sperimentano una forza che li allinea lungo la direzione del campo, qualunque sia quella direzione. E il campo magnetico terrestre sembra puntare a nord.
L'esempio è semplice ma la lezione è profonda. I modelli della natura a volte riflettono due aspetti intrecciati: leggi fisiche fondamentali e influenze ambientali. È la versione della natura della natura contro il nutrimento. Nel caso di una bussola, districare i due non è difficile. Manipolandolo con un magnete, si può facilmente concludere che l'orientamento del magnete determina la direzione dell'ago. Ma ci possono essere altre situazioni in cui le influenze ambientali sono così pervasive, e quindi al di là della nostra capacità di manipolare, sarebbe molto più difficile riconoscere la loro influenza.
I fisici raccontano una parabola sui pesci che studiano le leggi della fisica, ma così abituati al loro mondo acquoso che non riescono a considerare la sua influenza. I pesci lottano potentemente per spiegare l'oscillazione delicata delle piante e la loro stessa locomozione. Le leggi che trovano alla fine sono complesse e ingombranti. Quindi, un pesce brillante ha una svolta. Forse la complessità riflette semplici leggi fondamentali che si agiscono in un ambiente complesso, uno che è pieno di un fluido viscoso, incomprimibile e pervasivo: l'oceano. All'inizio, il pesce perspicace viene ignorato, anche ridicolizzato. Ma lentamente anche gli altri si rendono conto che il loro ambiente, nonostante la sua familiarità, ha un impatto significativo su tutto ciò che osservano.
La parabola è più vicina a casa di quanto avremmo potuto pensare? Potrebbero esserci altre, sottili ma pervasive caratteristiche dell'ambiente che, finora, non siamo riusciti a piegare correttamente nella nostra comprensione? La scoperta della particella di Higgs da parte del Large Hadron Collider a Ginevra ha convinto i fisici che la risposta è un clamoroso sì.
Quasi mezzo secolo fa, Peter Higgs e una manciata di altri fisici stavano cercando di capire l'origine di una caratteristica fisica di base: la massa. Puoi pensare alla massa come il peso di un oggetto o, un po 'più precisamente, come la resistenza che offre al cambiamento del suo movimento. Spingi su un treno merci (o una piuma) per aumentarne la velocità e la resistenza che senti riflette la sua massa. A livello microscopico, la massa del treno merci proviene dalle sue molecole e atomi costituenti, che sono essi stessi costruiti da particelle, elettroni e quark fondamentali. Ma da dove provengono le masse di queste e altre particelle fondamentali?
Quando i fisici degli anni '60 hanno modellato il comportamento di queste particelle usando equazioni radicate nella fisica quantistica, hanno incontrato un enigma. Se immaginavano che le particelle fossero tutte prive di massa, allora ogni termine nelle equazioni scattava in un modello perfettamente simmetrico, come le punte di un fiocco di neve perfetto. E questa simmetria non era solo matematicamente elegante. Spiegava modelli evidenti nei dati sperimentali. Ma - ed ecco il puzzle - i fisici sapevano che le particelle avevano massa, e quando modificarono le equazioni per tenere conto di questo fatto, l'armonia matematica fu rovinata. Le equazioni sono diventate complesse, ingombranti e, peggio ancora, incoerenti.
Cosa fare? Ecco l'idea proposta da Higgs. Non spingere le masse delle particelle nella gola delle belle equazioni. Invece, mantieni le equazioni incontaminate e simmetriche, ma considerale che operano in un ambiente peculiare. Immagina che tutto lo spazio sia uniformemente riempito con una sostanza invisibile - ora chiamata campo di Higgs - che esercita una forza di resistenza sulle particelle quando accelerano attraverso di essa. Spingi una particella fondamentale nel tentativo di aumentarne la velocità e, secondo Higgs, sentiresti questa forza di resistenza come una resistenza. Giustamente, interpreterai la resistenza come la massa della particella. Per un'osservazione mentale, pensa a una pallina da ping-pong immersa nell'acqua. Quando spingi la pallina da ping-pong, ti sembrerà molto più massiccio di quanto non faccia fuori dall'acqua. La sua interazione con l'ambiente acquoso ha l'effetto di dotarlo di massa. Quindi con le particelle immerse nel campo di Higgs.
Nel 1964, Higgs presentò un articolo a un'importante rivista di fisica in cui formulò matematicamente questa idea. Il documento è stato respinto. Non perché contenesse un errore tecnico, ma perché la premessa di qualcosa di invisibile che permea lo spazio, interagendo con le particelle per fornire la loro massa, beh, tutto sembrava solo un mucchio di speculazioni eccessive. I redattori della rivista lo consideravano "di nessuna ovvia rilevanza per la fisica".
Ma Higgs perseverò (e il suo documento rivisto apparve più tardi quell'anno in un altro diario), e i fisici che impiegarono del tempo per studiare la proposta si resero gradualmente conto che la sua idea era un colpo di genio, uno che permetteva loro di avere la loro torta e mangiarla anche . Nello schema di Higgs, le equazioni fondamentali possono mantenere la loro forma incontaminata perché il lavoro sporco di fornire le masse delle particelle è relegato nell'ambiente.
Mentre non ero in giro per assistere al rifiuto iniziale della proposta di Higgs nel 1964 (beh, ero in giro, ma solo a malapena), posso attestare che a metà degli anni '80, la valutazione era cambiata. La comunità fisica aveva, per la maggior parte, pienamente compreso l'idea che esistesse un campo di Higgs che permeava lo spazio. In effetti, in un corso di laurea ho seguito quello che è noto come il Modello standard di fisica delle particelle (le equazioni quantistiche che i fisici hanno riunito per descrivere le particelle di materia e le forze dominanti con cui si influenzano a vicenda), il professore ha presentato l'Higgs campo con tale certezza che per molto tempo non avevo idea che dovesse ancora essere stabilito sperimentalmente. A volte, ciò accade in fisica. Le equazioni matematiche a volte possono raccontare una storia così convincente, possono apparentemente irradiare la realtà così fortemente, che si trincerano nel volgare dei fisici che lavorano, anche prima che ci siano dati per confermarli.
Ma è solo con i dati che può essere forgiato un collegamento alla realtà. Come possiamo testare il campo di Higgs? Qui entra in gioco il Large Hadron Collider (LHC). Si snoda per centinaia di metri sotto Ginevra, in Svizzera, attraversando il confine francese e viceversa, l'LHC è un tunnel circolare lungo quasi 17 miglia che funge da pista per frantumando insieme particelle di materia. L'LHC è circondato da circa 9.000 magneti superconduttori ed è sede di orde di protoni in streaming, che si muovono attorno al tunnel in entrambe le direzioni, che i magneti accelerano fino a schivare la velocità della luce. A tali velocità, i protoni frustano intorno al tunnel circa 11.000 volte al secondo e, quando diretti dai magneti, si scontrano in milioni di collisioni in un batter d'occhio. Le collisioni, a loro volta, producono spruzzi di particelle simili a fuochi d'artificio, che i rivelatori mammut catturano e registrano.
Una delle principali motivazioni per l'LHC, che ha un costo dell'ordine di $ 10 miliardi e coinvolge migliaia di scienziati provenienti da decine di paesi, è stata la ricerca di prove per il campo di Higgs. La matematica ha mostrato che se l'idea è giusta, se siamo davvero immersi in un oceano del campo di Higgs, allora le violente collisioni di particelle dovrebbero essere in grado di destreggiarsi nel campo, così come due sottomarini in collisione farebbero oscillare l'acqua intorno a loro. E ogni tanto, il jiggling dovrebbe essere proprio quello di lanciarsi da un granello del campo - una minuscola gocciolina dell'oceano di Higgs - che apparirebbe come la particella di Higgs tanto cercata.
I calcoli hanno anche mostrato che la particella di Higgs sarebbe instabile, disintegrandosi in altre particelle in una frazione minuscola di secondo. All'interno del vortice di particelle in collisione e nuvole fluttuanti di detriti di particolato, gli scienziati armati di potenti computer avrebbero cercato l'impronta digitale di Higgs, un modello di prodotti in decomposizione dettati dalle equazioni.
Nelle prime ore del mattino del 4 luglio 2012, mi sono riunito con circa 20 altri stalwarts in una sala conferenze dell'Aspen Center for Physics per vedere il flusso live di una conferenza stampa presso le strutture Large Hadron Collider a Ginevra. Circa sei mesi prima, due team indipendenti di ricercatori incaricati di raccogliere e analizzare i dati LHC avevano annunciato una forte indicazione che la particella di Higgs era stata trovata. La voce che ora volava intorno alla comunità della fisica era che le squadre avevano finalmente prove sufficienti per sostenere una richiesta definitiva. Insieme al fatto che lo stesso Peter Higgs era stato invitato a fare il viaggio a Ginevra, c'era una grande motivazione a rimanere sveglio fino alle 3 del mattino per ascoltare l'annuncio dal vivo.
E mentre il mondo imparava rapidamente, l'evidenza che la particella di Higgs era stata rilevata era abbastanza forte da varcare la soglia della scoperta. Con la particella di Higgs ora ufficialmente trovata, il pubblico di Ginevra è scoppiato in un applauso selvaggio, così come il nostro piccolo gruppo ad Aspen, e senza dubbio dozzine di incontri simili in tutto il mondo. Peter Higgs si asciugò una lacrima.
Con un anno di senno di poi e dati aggiuntivi che sono serviti solo a rafforzare il caso di Higgs, ecco come riassumere le implicazioni più importanti della scoperta.
Innanzitutto, sappiamo da tempo che ci sono abitanti invisibili nello spazio. Onde radio e televisive. Il campo magnetico terrestre. Campi gravitazionali. Ma nessuno di questi è permanente. Nessuno è invariato. Nessuno è uniformemente presente in tutto l'universo. A questo proposito, il campo di Higgs è sostanzialmente diverso. Crediamo che il suo valore sia lo stesso sulla Terra vicino a Saturno, nelle Nebulose di Orione, in tutta la Galassia di Andromeda e ovunque. Per quanto ne sappiamo, il campo di Higgs è impresso indelebilmente sul tessuto spaziale.
In secondo luogo, la particella di Higgs rappresenta una nuova forma di materia, che era stata ampiamente anticipata per decenni ma non era mai stata vista. All'inizio del 20 ° secolo, i fisici hanno capito che le particelle, oltre alla loro massa e carica elettrica, hanno una terza caratteristica distintiva: la loro rotazione. Ma a differenza della cima di un bambino, la rotazione di una particella è una caratteristica intrinseca che non cambia; non accelera o rallenta nel tempo. Elettroni e quark hanno tutti lo stesso valore di spin, mentre lo spin dei fotoni - particelle di luce - è il doppio di quello degli elettroni e dei quark. Le equazioni che descrivono la particella di Higgs hanno mostrato che, a differenza di qualsiasi altra specie di particella fondamentale, non dovrebbe assolutamente avere effetti. I dati del Large Hadron Collider lo hanno ora confermato.
Stabilire l'esistenza di una nuova forma di materia è un risultato raro, ma il risultato ha risonanza in un altro campo: la cosmologia, lo studio scientifico di come l'intero universo iniziò e si sviluppò nella forma a cui ora assistiamo. Per molti anni, i cosmologi che studiavano la teoria del Big Bang furono ostacolati. Avevano messo insieme una solida descrizione di come l'universo si è evoluto da una frazione di secondo dopo l'inizio, ma non sono stati in grado di fornire alcuna idea su ciò che ha spinto lo spazio per iniziare ad espandersi in primo luogo. Quale forza avrebbe potuto esercitare una così potente spinta verso l'esterno? Per tutto il suo successo, la teoria del Big Bang ha lasciato fuori il botto.
Negli anni '80 fu scoperta una possibile soluzione, quella che suona una forte campana di Higgsian. Se una regione di spazio è uniformemente soffusa con un campo i cui componenti del particolato sono senza spin, allora la teoria della gravità di Einstein (la teoria generale della relatività) rivela che può essere generata una potente forza repulsiva: un botto e una grande a quella. I calcoli hanno mostrato che era difficile realizzare questa idea con il campo stesso di Higgs; il doppio dovere di fornire masse di particelle e alimentare il botto dimostra un onere sostanziale. Ma gli scienziati perspicaci si resero conto che positando un secondo campo "simile a Higgs" (possedendo lo stesso spin evanescente, ma diversa massa e interazioni), potevano dividere il peso - un campo per la massa e l'altro per la spinta repulsiva - e offrire un spiegazione convincente del botto. Per questo motivo, per più di 30 anni, i fisici teorici hanno esplorato vigorosamente le teorie cosmologiche in cui tali campi simili a Higgs svolgono un ruolo essenziale. Migliaia di articoli di riviste sono stati scritti sviluppando queste idee e miliardi di dollari sono stati spesi per osservazioni nello spazio profondo alla ricerca e alla ricerca di prove indirette che queste teorie descrivono accuratamente il nostro universo. La conferma da parte dell'LHC dell'esistenza di almeno uno di questi campi pone quindi una generazione di teorie cosmologiche su basi ben più solide.
Infine, e forse la cosa più importante, la scoperta della particella di Higgs è un sorprendente trionfo del potere della matematica di rivelare il funzionamento dell'universo. È una storia che è stata ricapitolata in fisica numerose volte, ma ogni nuovo esempio è elettrizzante allo stesso modo. La possibilità di buchi neri è emersa dalle analisi matematiche del fisico tedesco Karl Schwarzchild; osservazioni successive hanno dimostrato che i buchi neri sono reali. La cosmologia del Big Bang è emersa dalle analisi matematiche di Alexander Friedmann e anche di Georges Lemaître; osservazioni successive dimostrarono che anche questa intuizione era corretta. Il concetto di antimateria emerse per la prima volta dalle analisi matematiche del fisico quantistico Paul Dirac; esperimenti successivi hanno dimostrato che anche questa idea è giusta. Questi esempi danno un'idea di cosa intendesse il grande fisico matematico Eugene Wigner quando parlava dell '"irragionevole efficacia della matematica nella descrizione dell'universo fisico". Il campo di Higgs è emerso da studi matematici alla ricerca di un meccanismo per dotare le particelle di massa. E ancora una volta la matematica è arrivata a pieni voti.
Come fisico teorico, uno dei tanti che si dedica a trovare quella che Einstein chiamava la "teoria unificata", le connessioni profondamente nascoste tra tutte le forze della natura e la materia che Einstein sognava, molto tempo dopo essere stato agganciato alla fisica dai misteriosi meccanismi della bussola —La scoperta dell'Higgs è particolarmente gratificante. Il nostro lavoro è guidato dalla matematica e finora non ha avuto contatti con dati sperimentali. Stiamo aspettando con ansia il 2015 quando un LHC aggiornato e ancora più potente verrà riacceso, poiché esiste una possibilità di combattimento che i nuovi dati forniranno la prova che le nostre teorie stanno andando nella giusta direzione. Le pietre miliari principali includerebbero la scoperta di una classe di particelle finora invisibili (chiamate particelle "supersimmetriche") che le nostre equazioni prevedono, o accenni alla possibilità selvaggia di dimensioni spaziali oltre le tre che tutti sperimentiamo. Ancora più eccitante sarebbe la scoperta di qualcosa di completamente inaspettato, che ci riporterebbe di corsa alle nostre lavagne.
Molti di noi hanno cercato di scalare queste montagne matematiche per 30 anni, alcune anche più a lungo. A volte abbiamo sentito che la teoria unificata era appena al di là della nostra punta delle dita, mentre altre volte stiamo davvero brancolando nel buio. È una grande spinta per la nostra generazione assistere alla conferma degli Higgs, assistere a intuizioni matematiche di quattro decenni realizzate come scoppi e scoppiettii nei rivelatori di LHC. Ci ricorda di prendere a cuore le parole del premio Nobel Steven Weinberg: “Il nostro errore non è che prendiamo le nostre teorie troppo sul serio, ma non le prendiamo abbastanza sul serio. È sempre difficile rendersi conto che questi numeri ed equazioni con cui giochiamo ai nostri banchi hanno qualcosa a che fare con il mondo reale. ”A volte, quei numeri ed equazioni hanno una capacità inquietante, quasi inquietante, di illuminare angoli oscuri della realtà. Quando lo fanno, ci avviciniamo molto di più alla nostra comprensione del nostro posto nel cosmo.
