Bosone di Higgs: proviamo a capire?
Anche se forse è un argomento un po’ ostico per il pubblico di questo sito, ho chiesto all’amico fisico Franco Acanfora, di provare a spiegarci quali scoperte stanno avvenendo nel mondo della fisica e quale sia la loro reale portata. Ringraziando molto Franco e sperando che vorrà proseguire la sua collaborazione con questo sito con altri articoli, vi invito a leggere il suo interessante articolo.
Per inquadrare correttamente “la particella di Dio” nella fisica possiamo per esempio ricorrere a una descrizione delle transizioni di fase, come quella proposta dal grande fisico teorico sovietico Lev Landau (http://it.wikipedia.org/wiki/Rottura_spontanea_di_simmetria).
Il ferro puo’ pensarsi come costituito da tantissime calamite microscopiche, i suoi atomi, ciascuno dei quali ha un polo Nord e un polo Sud. A temperatura alta, ciascuna di queste calamite ha orientazione a caso, nello spazio. Segue che un pezzetto di ferro, a temperatura alta, non ha alcuna proprieta’ magnetica, perche’ l’azione di una micro-calamita e’ annullata da quella di un’altra. Il sistema fisico, cioe’ il pezzetto di ferro, ha una simmetria, e’ simmetrico rispetto alle rotazioni spaziali, il che significa solo che appare allo stesso modo da qualunque parte lo si rigiri. Le equazioni che descrivono il pezzetto di ferro devono necessariamente essere simmetriche, devono rispecchiare l’assenza di direzioni spaziali dotate di proprieta’ speciali.
Quando la temperatura si abbassa, pero’, puo’ accadere che vi siano alcuni atomi vicini con magnetizzazione parallela, i quali, essendo divenute meno probabili le redistribuzioni casuali che a temperatura piu’ alta garantivano il disordine e l’uniformita’, possono indurre nei vicini la tendenza ad allinearsi. Oppure tale allineamento puo’ essere prodotto da un campo magnetico esterno. A bassa temperatura il pezzetto di ferro acquista una magnetizzazione netta, che significa una direzione spaziale speciale, quella che va dal polo Nord al polo Sud, e perde quindi una simmetria. Non completamente, perche’ anche ora il pezzetto di ferro e’ invariante per rotazioni intorno al suo asse di magnetizzazione.
La transizione di fase e’ un semplice esempio di “rottura spontanea della simmetria”, o meglio, di “riduzione spontanea della simmetria”, perche’ se la simmetria fosse completamente sparita, ci sarebbe stato difficile immaginare o ricostruire la sua stessa esistenza. In conclusione, l’apparizione di una proprieta’ fisicamente osservabile (la magnetizzazione macroscopica) e’ il risultato di una riduzione dell’armonia del sistema dovuto essenzialmente alla diminuizione delle risorse accessibili alle parti del sistema, e quindi al coagularsi delle parti del sistema in una sistemazione in cui esse condividono qualcosa che prima potevano ignorare nel suo valore perche’ accessibile a costo zero. Le equazioni che descrivono il pezzetto di ferro ora devono necessariamente cambiare, devono
tener conto della nuova grandezza fisica che ha ben visibili effetti pratici, e devono perdere memoria della simmetria piu’ ampia, che caratterizzerebbe il sistema fisico in una situazione in cui a sua disposizione vi fossero enormi risorse energetiche.
Voglio subito prevenire una serie di obiezioni, dichiarando che e’ ovvio che dentro il pezzetto di ferro vi potrebbero essere piccole regioni in cui vi e’ allineamento, diverso da quello di altri staterelli confinanti. Il pezzetto di ferro non manifesterebbe
globalmente una magnetizzazione, a meno che una forza esterna non costringesse i singoli principati ad allineare le loro direzioni di magnetizzazione. Oppure una regione piu’forte potrebbe indurre i vicini all’allineamento. Cio’ fa parte della storia di quel pezzetto
di ferro, e non sto parlando qui dell’invarianza delle storie dei pezzetti di ferro rispetto al tempo. Quel che e’ rilevante e’ che la magnetizzazione casualmente dislocata dei singoli atomi si e’ organizzata in modo da coinvolgere moltissimi atomi in una struttura gia’ macroscopica, separabile meccanicamente, in cui vi e’ una magnetizzazione netta e una chiara rottura di simmetria.
Che c’entrano i pezzetti di ferro con le particelle elementari? L’idea che sta dietro il modello standard delle particelle elementari e’ la stessa. La situazione negli anni 70 era la seguente: avevamo equazioni giuste in casi particolari, che non permettevano di
elaborare una teoria generale, perche’ i risultati dei calcoli (estesi) erano sempre irrimediabilmente e paradossalmente infiniti. Queste equazioni sono del tipo che convenzionalmente chiameremo “appartenenti a teorie non rinormalizzabili”, abbreviato in
“non rinormalizzabili”. Mi scusino i fisici teorici che eventualmente leggano queste note, ci sto andando consapevolmente con l’accetta, e’ il prezzo che si paga per l’abbandono del linguaggio matematico, e io che non sono Feynman pago doppio, cerco solo di far capire al meglio quel che ho capito io.
Qualcuno inizio’ a pensare che le grandezze fisiche fondamentali che intervenivano in tali equazioni andassero considerate con meno innocenza. E se la carica, e se la massa, non fossero altro che
proprieta’ a bassa temperatura, proprio come la magnetizzazione netta del pezzetto di ferro? La teoria generale, privata completamente di tali cristallizzazioni prodotte dalla storia della materia, sarebbe rinormalizzabile, cioe’ talmente simmetrica da esser calcolabile in modo finito? La teoria, posta nel paradiso della disponibilita’ illimitata di risorse, sarebbe calcolabile con i trucchetti della rinormalizzazione? Se cosi’ fosse, e cosi’ effettivamente era, dovremmo cercare di definire le modalita’ di una transizione
di fase, che porta a una riduzione della simmetria, ma non a una sua scomparsa.
Avremmo la luce (il fotone) che conserva massa nulla, testimone dell’antica simmetria, e i suoi parenti stretti (i bosoni delle forze deboli) che prendono masse anche molto grandi per la rottura della simmetria che un tempo coinvolgeva anche loro. Questi maledetti bosoni che avevano fatto disperare Fermi, non erano altro che forme di luce incappata nel triste destino di aver raccolto tanto fango dal vuoto da acquisire una spaventosa pesantezza, che impediva loro praticamente di muoversi e di essere direttamente rilevati.
Le prime evidenze dell’esistenza dei parenti pesanti della luce sono dei primo anni 80. Abbiamo un quartetto di quanti di luce (quella pura, senza massa, che testimonia dell’antica simmetria, e le
tre forme pesanti, di cui due con carica elettrica, e una neutra). E’ un grande successo del modello standard. Resta solo da capire chi e’ il soggetto che dona pesantezza ai tre quarti della luce, e dico cosi’ perche’ nella teoria generale i parenti pesanti avrebbero la stessa natura della luce, non avrebbero massa. Ora, vediamo una differenza notevole di questo modello teorico da quello del ferro.
Nel caso del ferro, la magnetizzazione microscopica era supposta gia’ esistente nei singoli atomi, e quindi nella teoria simmetrica generale. Invece nel modello standard le particelle non hanno massa, nella situazione di alta temperatura e di massima simmetria. La massa e’ generata dinamicamante nella transizione di fase, e’ completamente effetto della rottura della simmetria.
Il fango che permea il vuoto e’ quindi un campo da introdurre necessariamente nella teoria generale, e’ esso stesso il generatore della massa dei parenti della luce. E’ anche il generatore della massa
di tutte le particelle. E’ il generatore della propria massa. E’ un fango autopoietico, il bosone di Higgs. E’ il Deus Ex Machina che proietta la fisica delle particelle oltre il modello standard.
Perche’ se questo fango del vuoto esiste davvero, e’ a lui che si deve la gravita’.
La teoria della gravitazione e’ la relativita’ generale, che non e’ una teoria quantistica, ed e’ assolutamente incompatibile con le teorie quantistiche come il modello standard, a meno che non
tentiamo di immaginare cose che nessuno ha mai visto, nemmeno il replicante di Blade Runner.
Il fatto notevole e’ che qualcuno sta immaginando cose che nessuno ha mai visto! Ma questo argomento e’ troppo vasto per essere esaminato qui, e merita almeno una discussione piu’ approfondita.
In conclusione, l’unica cosa notevole davvero nei recenti esperimenti su LHC e’ che entrambi gli esperimenti sembrano concordare sul valore dell’auto-massa dell’Higgs, il che prova solo indirettamente la sua realta’. La situazione e’ questa: se questo Higgs esiste (e il primo a dubitarne e’ l’autore stesso, P. Higgs), allora la sua massa sarebbe maggiore di questo valore, e minore di quest’altro. Quel che si e’ trovato finora e’ un accordo fra due gruppi sul limite inferiore e quello superiore, ammesso che l’oggetto esista. Il c teoricahe non e’ una scoperta, ma comunque un segnale da considerare con attenzione (http://public.web.cern.ch/public//Welcome.html).
Nel caso riportato dalla stampa delle velocita’ super dei neutrini, manca questo elemento, la conferma del fatto da altri esperimenti indipendenti. Inoltre, mentre nel caso dell’Higgs si attendeva sostanzialmente un tassello mancante di un modello ben accettato, standard per l’appunto, nel caso delle velocita’ super occorre mettere in discussione le fondamenta sia della teoria della relativita’che della teoria quantistica, il che e’ troppo per un esperimento non confermato. Una critica che e’ arrivata da un altro gruppo al Gran Sasso (http://icarus.lngs.infn.it/) consiste nella mancata produzione di energia da parte di questo fascio super veloce, che avrebbe dovuto irradiare per effetto Cherenkov (mi chiedo pero’ se l’esperimento fosse in grado di rilevare questa radiazione, non lo so).
Qualche considerazione sul modo di produzione scientifico. Ormai il progresso della conoscenza ha perduto quasi del tutto il suo carattere artigianale. Per esempio, il transistor a semiconduttori e’
stato prodotto dalla ricerca americana con un potente impulso economico e tecnologico delle grandi imprese industriali. Il CERN e’ in grado di competere con la ricerca americana, e gli italiani al
CERN, che da sempre forniscono ingenti risorse umane ed economiche, dello stesso ordine di grandezza degli altri grandi paesi europei, ovviamente riescono a ottenere risultati di primo piano. E’ un gioco in cui si ricava quanto si e’ investito. Il modello di cooperazione del CERN (che non coincide con l’UE, per esempio Svizzera e Yugoslavia sono fra i fondatori) evidentemente e’ stato capace di attuare un rilancio della ricerca europea mediante la condivisione delle risorse, ed e’ difficile pensare di tornare indietro.
Post Scriptum. I termini “bosone” e “fermione” sono relativi alla classificazione statistica delle particelle elementari. In un sistema di molte particelle identiche e non distinguibili, si trova che le proprieta’ medie o termodinamiche del sistema sono classificabili in due diversi schemi:
1) “statistica di Fermi-Dirac”, che prevede che due particelle non possano in nessun caso occupare lo stesso stato dinamico;
2) “statistica di Bose-Einstein”, che prevede che due particelle amino occupare lo stesso stato dinamico.
I fermioni sono materia, e l’esclusivita’ dello stato e’ cio’ che resta dell’impenetrabilita’ dei corpi. I bosoni sono forze, e tendono invece a condividere la loro azione. Per esempio, i fotoni di un raggio laser costituiscono un insieme altamente coerente, tanto da poter essere idealmente pensati come una singola entita’, un singolo stato, suddiviso in uno sciame di pezzetti di luce fra loro identici.
Franco Acanfora
bosone di higgs, cern, fisica teorica, franco acanfora, ginevra, gran sasso

Albert E.
Troppo ostico x noi quest’argomento? Ahh! Grazie x la stima (pezzo di fango)
ugoagnoletto
sono un fans del principio di indeterminazione di Heisemberg. Perché? perché se ne ricava che le teorie scentifiche non sono una descrizione oggettiva della realtà, ma modelli interprettativi. Heinstein invece era convinto che le leggi fisiche erano inscritte nella realtò e bastava scoprirle. A me interessa riportare questo approccio in campo filosofico e teologico. E veniamo al dunque. Ha senso parlare di principi non negoziabili? O piuttosto non dovremmo essere consapevoli che la nostra conoscenza dipende dal nostro punto di vista e dal tipo di relazione che abbiamo con la realtà, o meglio con quel mondo che esiste solo perché abitato da noi.
Maurizio Melandri
Grazie. Ho trovato la lettura parecchio interessante ed esplicativa. Mi rimangono 2 o 3 tasselli da mettere a fuoco, ma il contributo mi aiuta a capire meglio quanto sta succedendo.
Antonio
Se posso vorrei farle i complimenti: ha trattato un argomento ostico (accennando addirittura alla rinormalizzabilità!) in maniera, mi pare, chiara e godibile, dunque ringrazio molto per questo articolo sia lei che il prof. Giannuli. L’unico appunto che le si può fare credo sia sull’ambiguità della frase “è a lui [al bosone di Higgs] che si deve la gravità”, ma vabbé. Spero sia rimasto deluso chi nel paragrafo sui neutrini sognava cenni a missili superluminali o bombe capaci di esplodere prima di essere innescate: è troppo presto ragazzi!
L’occasione comunque è troppo ghiotta e vorrei approfittarne per porre un paio di domande all’autore dell’articolo:
1) C’è qualche novità riguardo alla ricerca di Higgs carichi, H^+, H^-?
2) Come è possibile che i neutrini producano radiazione Cherenkov se sono neutri? Equivalentemente, come fanno ad accoppiarsi coi fotoni?
grazie ancora, alla prossima!
Nicola Mosti
Credo che Acanfora, per rimanere aderente ai dati scientifici, non sia stato abbastanza divulgativo.
…O forse il sig. Alzheimer è passato anzitempo a farmi visita.
Grazie comunque.
Simona
Scusate la domanda banale che pongo sia a Canfora, sia a Giannuli: (Se-logico) quanto e quali similitudini e correlazioni (sia positive che negative) si possono leggere (interpretare – riscontrare) tra le leggi fisiche e l’andamento socio-economico-storico?
Scusate l’intrusione forse fuori luogo. Articolo impervio, ma illuminante.
Sim
marcolfo
caro ugoagnoletto, sull’interpretazione del principio di Heisenberg si e’detto molto e molti l’hanno usato a sproposito. Dopo di che se uno si ostina a dare testate al muro dicendo che non c’e’ un muro ma e’ solo una interpretazione soggettiva della realta’e non oggettiva, beh lo porterebbero via in ambulanza. Come molti dicono in scienza e’ giusto cio’ che funziona. Finche un sistema teorico funziona (tipo la relativita’ o che il muro e’ un solido) continuo a utilizzarla
Francesco Acanfora
Per Nicola Mosti: beh, ho provato a far chiarezza, innanzitutto a me stesso. In realta’ la situazione nella fisica di questi anni e’ davvero enigmatica anche per gli affezionati studiosi del settore.
Per Antonio: il meccanismo di Higgs si puo’ estendere ai fermioni, quindi la massa generata dinamicamente deve essere responsabile delle forze gravitazionali.
Indizi sulla effettiva realta’ del bosone di Higgs non possono che portare a tentativi piu’ ostinati di elaborare teorie che mettano insieme la relativita’ generale e le teorie di campo quantistiche.
La ricerca delle famiglie di bosoni di Higgs previste dalle GUTs va avanti da 30 anni, finora non si e’ approdato a nulla.
Infine, sulla perdita di energia del fascio di neutrini, ci sono articoli di Cohen e Glashow (in sostanza, ipotizzano che i neutrini super dovrebbero poter interagire con le correnti neutre che fluttuano nel vuoto, e cedere energia a qualche Z che andrebbe poi a frammentarsi in coppie e+e-, le quali possono interagire con i fotoni, e il calcolo che fanno fornisce delle stime quantitative; ignoro pero’ la risposta data da OPERA).
Antonio
L’ambiguità della frase “è a lui [al bosone di Higgs] che si deve la gravità” risiede nel fatto che l’higgs pare così il mediatore dell’interazione gravitazionale. Non ho capito bene cosa lei intenda con “la massa generata dinamicamente deve essere responsabile delle forze gravitazionali”, ma questa sorta di intercambiabilità massa gravità mi sembra fuorviante, soprattutto considerando che la gravità agisce anche sui fotoni.
La ringrazio moltissimo per la segnalazione dell’articolo di Cohen e Glashow e per le risposte puntuali.
guido
Bravo Franco. Succinto e chiaro
Giovanni
Ho letto con incompetente interesse l’articolo di Acanfora, e lo ringrazio per il notevole sforzo divulgativo.
Penso che l’opinione di ugoagnoletto sia basata su di un malinteso, cioè che il principio di indeterminazione riguardi il modo con cui gli umani osservano la natura (in particolare, l’estremamente piccolo). No, il principio di indeterminazione riguarda il modo con cui la natura interagisce con se stessa, indipendentemente dagli umani (o, meglio, includendo l’attività umana come caso particolare). Per esempio, l’atomo di idrogeno ha una certa dimensione perchè, per via dell’indeterminazione, all’elettrone costerebbe troppo (in termini energetici) “determinare” la propria posizione più vicino al protone che costituisce il nucleo, di quanto non avvenga in realtà. E questo era vero anche quando il trisavolo di ugoagnoletto strisciava con aria perplessa in una palude del Giurassico.
Per tornare alla questione del costo della ricerca e al ritorno economico dell’investimento scientifico, da tempo ho la fastidiosa sensazione che nella comunità scientifica si tenda a considerare “non abbastanza sexy” tutto ciò che non richiede investimenti pazzeschi. Qualche esempio disparato: le ricerche di matematica teorica, che richiedono solo molta materia grigia e qualche foglietto di carta, ma che potenzialmente forniscono strumenti straordinari per comprendere il mondo, hanno pochissima visibilità e, credo, altrettanto scarsi finanziamenti; le ricerche sulle reazioni nucleari a bassa energia sono state rapidamente emarginate e coperte di ridicolo. Per quanto riguarda l’Italia, mi sembra ci sia una sproporzione fra l’investimento (giustamento elevato) nel CERN e quanto viene invece dato, per esempio, a chi si occupa di nanotecnologie o di genetica. E’ un’impressione infondata?
ermanno
La transizione di fase e’ un semplice esempio di “rottura della simmetria”, o meglio, di “riduzione della simmetria”, perche’ se la simmetria fosse completamente sparita (rivoluzione), ci sarebbe stato difficile immaginare o ricostruire la sua stessa esistenza. Conclusione, l’apparizione di una proprieta’ fisicamente osservabile (la lotta di classe operaia) e’ il risultato di una riduzione dell’armonia del sistema (il capitalismo) dovuto essenzialmente alla diminuizione delle risorse accessibili alle parti del sistema, e quindi al coagularsi delle parti del sistema in una sistemazione in cui esse condividono qualcosa che prima potevano ignorare nel suo valore perche’ accessibile a costo zero. (In fondo, spesso, la fisica e la politica economica si equiparano e si riprendono nella loro logicità… Penso al programma di transizione di l. Trotzkji…)