Quattro cose che i fisici si chiedono ancora sul bosone di Higgs

Quando la notizia è arrivata, il 4 luglio 2012, ha commosso alcuni scienziati fino alle lacrime. Altri saltarono e applaudirono. Dopo decenni di anticipazione, i fisici avevano finalmente scoperto il bosone di Higgs.

Negli anni trascorsi da quel rilevamento iniziale, i fisici hanno acquisito sempre più familiarità con questa particella fondamentale, che trasporta forza, prodotta dal campo invisibile che dà massa alle particelle. Hanno migliorato le misurazioni della massa, della larghezza, dello spin, degli accoppiamenti con diverse particelle e di altre caratteristiche del bosone di Higgs. Hanno ottenuto misurazioni più precise di quanto si aspettassero di essere in grado di fare.

Eppure c’è ancora molto da imparare. La maggior parte delle misurazioni di Higgs non hanno ancora raggiunto la precisione di cui gli scienziati hanno bisogno per differenziare i modelli che potrebbero portare a nuove intuizioni e scoperte. Alcuni aspetti del bosone di Higgs non sono stati ancora esplorati.

“Ci sono voluti 60 anni per rilevare per la prima volta il bosone di Higgs e negli ultimi 10 anni l’abbiamo conosciuto abbastanza bene”, afferma Rebeca Gonzalez Suarez, fisica del CERN, coordinatrice dell’istruzione e della divulgazione per la collaborazione ATLAS e associata professore all’Università di Uppsala in Svezia. “Finora sembra molto normale, molto simile alle aspettative che abbiamo riguardo al modello standard. Ma c’è ancora la possibilità che ci sorprenda”.

Oggi i fisici continuano a perfezionare le loro misurazioni, e persino a sviluppare idee per futuri collisori, al fine di svelare completamente i misteri del bosone di Higgs e il suo posto nell’universo.

“Misurando l’Higgs in modo molto preciso, possiamo acquisire una comprensione della fisica oltre il Modello Standard e forse trovare un portale per un nuovo settore che va oltre il Modello Standard”, afferma Kétévi Assamagan, fisico presso il Brookhaven National del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti Laboratorio di New York.

Mentre i fisici cercano di raggiungere una comprensione sempre più precisa dell’Higgs, ecco quattro domande a cui sperano di rispondere.

Illustrazione di Sandbox Studio, Chicago con Corinne Mucha

1. Il bosone di Higgs interagisce con se stesso?

Una delle maggiori domande sull’Higgs è come potrebbe interagire, o accoppiarsi, con se stesso.

“Penso che questa sia la domanda principale sull’Higgs in questo momento”, afferma Caterina Vernieri, assistente professore e Panofsky Fellow presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. “È davvero una pietra angolare sconosciuta nella nostra comprensione dell’Higgs.”

Gli esperimenti hanno mostrato le coppie di Higgs con altre particelle, incluso un serraglio di particelle fondamentali come i bosoni W e Z, quark, taus e muoni. Secondo il modello standard, dovrebbe anche accoppiarsi con se stesso. Scoprire i dettagli esatti di come ciò avvenga potrebbe aiutare i fisici a perfezionare ulteriormente il Modello Standard e persino a far luce sull’evoluzione dell’universo primordiale e sullo squilibrio di materia e antimateria.

Se i fisici apprendessero che il bosone di Higgs non interagisce con se stesso nel modo previsto dal Modello Standard, potrebbe sconvolgere la loro comprensione della particella e suggerire che l’universo non è nello stato energetico previsto dai fisici, il che potrebbe influenzare le regole di come la materia interagisce.

Per scoprire se l’autocoppia di Higgs, i fisici stanno esaminando le collisioni di particelle alla ricerca di accenni di coppie di bosoni di Higgs, o anche di triplette di bosoni di Higgs più rare, che verrebbero create solo se l’autocoppia di Higgs.

Finora, i dati degli esperimenti al Large Hadron Collider del CERN non hanno ancora visto una coppia di bosoni di Higgs, ma non hanno nemmeno escluso la possibilità: semplicemente non ci sono ancora abbastanza dati. Secondo le previsioni del modello standard, l’autoaccoppiamento dovrebbe produrre raramente coppie di bosoni di Higgs negli esperimenti sui collisori, oltre 1.000 volte meno spesso di quanto venga prodotto un singolo bosone di Higgs.

I fisici sperano che le corse future possano aiutare a restringere il campo poiché l’LHC rivela più eventi di produzione di bosoni di Higgs.

Illustrazione di un bosone di Higgs che incontra altre particelle attraverso finestre e porte

Illustrazione di Sandbox Studio, Chicago con Corinne Mucha

2. In che modo l’Higgs si accoppia ad altre particelle?

Sebbene i fisici non sappiano ancora se l’Higgs si accoppia a se stesso, sanno che si accoppia con altre particelle. In alcuni casi, come nel caso del quark top, la più pesante delle particelle del Modello Standard, l’accoppiamento è abbastanza ben compreso. Ma i fisici stanno appena iniziando a capire quante altre particelle, come il muone relativamente più leggero, interagiscono con i bosoni di Higgs.

Quanto una data particella si accoppierà con un Higgs è previsto dal Modello Standard ed è correlato alla massa della particella: più massiccia è la particella, maggiore è l’accoppiamento. Finora, le misurazioni degli accoppiamenti corrispondono a queste previsioni. Ma la precisione di queste misurazioni non è ancora abbastanza grande per vedere se potrebbero esserci delle deviazioni dal modello standard. Sapere esattamente come le coppie di Higgs possono aiutare gli scienziati a capire come le particelle ottengono la loro massa.

“Se vediamo discrepanze quando prendiamo misure di precisione dell’accoppiamento del bosone di Higgs con altre particelle, questo può dirci se c’è una nuova fisica là fuori”, dice Vernieri.

Illustrazione di un altro Higgs con i baffi

Illustrazione di Sandbox Studio, Chicago con Corinne Mucha

3. Ci sono altre particelle di Higgs?

Finora, i fisici hanno trovato un solo bosone di Higgs, che è ciò che prevede il Modello Standard. Ma alcune teorie alternative che estendono il Modello Standard richiedono molti più tipi di particelle di Higgs.

“Non c’è motivo per cui non dovrebbero esserci di più”, afferma Sally Dawson, fisica teorica delle particelle presso il Brookhaven National Laboratory. “C’è tutta una serie di possibilità su come potrebbe essere.”

Alcuni modelli suggeriscono che esiste una versione di Higgs che ha proprietà diverse dal bosone che conosciamo. Il bosone di Higgs scoperto nel 2012 ha spin zero e nessuna carica elettrica, ma altre particelle di Higgs potrebbero avere caratteristiche diverse. Altri modelli propongono che ci sia un tipo di Higgs che interagisce con particelle pesanti e un altro che interagisce con particelle più leggere. O forse la particella di Higgs che vediamo è in realtà un composto di più particelle diverse.

“Qualsiasi Higgs aggiuntivo che potremmo scoprire indicherebbe che deve esserci una nuova fisica”, afferma Assamagan. “Potrebbe aiutarci a spiegare alcune delle cose che non si adattano necessariamente al modello standard.”

Alcuni fenomeni che potrebbero essere spiegati da particelle di Higgs aggiuntive includono la materia oscura, le oscillazioni dei neutrini, il mistero delle masse dei neutrini e il motivo per cui c’è uno squilibrio tra materia e antimateria nell’universo. Se ci sono altre particelle di Higgs là fuori, i fisici sperano di vedere le loro impronte negli esperimenti di collisione.

Illustrazione di un Higgs personificato che attraversa il settore oscuro

Illustrazione di Sandbox Studio, Chicago con Corinne Mucha

4. L’Higgs è collegato alla materia oscura o ad altre particelle insolite?

Poiché il bosone di Higgs aiuta a spiegare da dove viene la massa, molti scienziati pensano che dovrebbe interagire con la materia oscura: la misteriosa sostanza che sembra essere collegata alla materia quotidiana solo attraverso la gravità.

“L’Higgs potrebbe essere il portale tra noi e questo settore oscuro che potrebbe nascondere la materia oscura”, afferma Gonzalez Suarez.

Alcune teorie prevedono che la materia oscura interagisca con la materia normale scambiando i bosoni di Higgs. Se questo è il caso, una collisione che produce particelle di Higgs potrebbe anche creare particelle di materia oscura.

“L’Higgs nel modello standard non decade in materia oscura, ma alcuni modelli suggeriscono che c’è un’interazione”, dice Dawson. “È molto probabile che misurare le proprietà di Higgs possa dirti qualcosa sulla materia oscura”.

In altri scenari, quando l’Higgs decade, potrebbe produrre altre particelle completamente nuove e invisibili che i fisici non hanno nemmeno considerato. Non sono state osservate particelle insolite negli esperimenti sui collisori, in cui la loro esistenza sarebbe stata dedotta dall’energia mancante all’indomani di una collisione, ma i fisici non sembrano aver finito.

Come risponderanno i fisici a queste domande?

I fisici stanno studiando l’Higgs all’LHC, che sta riprendendo a crescere dopo una pausa di tre anni in seguito agli aggiornamenti degli esperimenti, al complesso dell’acceleratore e ai ritardi della pandemia. Questi aggiornamenti hanno lo scopo di consentire ai fisici di effettuare misurazioni più precise del bosone di Higgs. Tuttavia, a meno che non ci siano discrepanze molto grandi, questa precisione probabilmente non è sufficiente per vedere se ci sono deviazioni dal Modello Standard.

Dopo l’attuale corsa, che dovrebbe durare fino alla fine del 2025, l’LHC riceverà un altro aggiornamento che trasformerà l’acceleratore nell’LHC ad alta luminosità di prossima generazione, che dovrebbe funzionare fino al 2040 circa. Ciò consentirà ai fisici per misurare come l’Higgs si accoppia ad altre particelle fino a circa il 5% di incertezza. Mentre i fisici prevedono di produrre più bosoni di Higgs durante questa fase di alta luminosità, misurare l’autoaccoppiamento sarà comunque una sfida.

A lungo termine, gli scienziati stanno pensando a come studiare i bosoni di Higgs oltre l’LHC, che consisteva nello studiare un’ampia gamma di fenomeni tramite collisioni protone-protone. I protoni si scontrano in un’ampia varietà di modi, dando agli scienziati molto terreno da percorrere quando non sono sicuri di dove guardare. Ma sono disordinati, il che può rendere difficile individuare tipi specifici di particelle ed eventi.

Ecco perché alcuni scienziati hanno proposto una futura “fabbrica di Higgs”, che potrebbero mettere a punto in modo specifico per produrre molti bosoni di Higgs. Invece di far collidere i protoni, una fabbrica di Higgs farebbe scontrare materia e coppie di antimateria, come elettroni e positroni. Queste particelle si annichilerebbero a vicenda, eliminando gran parte del disordine delle collisioni osservate all’LHC e consentendo agli scienziati di dare un’occhiata più da vicino ai bosoni di Higgs prodotti. Un tale strumento dovrebbe consentire agli scienziati di raggiungere un’accuratezza dell’1% per le misurazioni della maggior parte degli accoppiamenti e sondare le previsioni teoriche per l’autoaccoppiamento di Higgs.

Nel frattempo, i fisici non sperano che qualcosa di inaspettato si manifesti negli esperimenti in corso. Con ogni aggiornamento all’LHC, c’è la possibilità che i fisici possano vedere nuove particelle o connessioni a nuovi settori nascosti. O forse un imprevisto potrebbe consentire, ad esempio, di produrre coppie di Higgs in quantità maggiori rispetto ai fattori previsti, afferma Gonzalez Suarez.

“Non si sa mai con la scienza sperimentale”, dice Dawson. “È sempre emozionante perché ci sono così tante possibilità e non sappiamo quale sia quella giusta”.

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