Il bosone di Higgs, che cos’è, a cosa serve e perché è importante

La fisica delle particelle è in genere considerata un ambito scientifico quasi impossibile da "masticare" per i non addetti ai lavori: uno zoo di particelle dai nomi esotici che si comportano in maniera quasi incomprensibile. Tra queste, una delle più famose è certamente il bosone di Higgs, ipotizzato 60 anni fa e confermato sperimentalmente solo nel 2012, che spiega finalmente quello che è il meccanismo di origine della massa all'interno del cosiddetto "Modello Standard".

Cosa si intende per "bosone"?

Il Modello Standard della fisica delle particelle è il nome che diamo alla teoria attualmente più robusta e confermata dagli esperimenti riguardo la descrizione delle tre interazioni fondamentali della fisica (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole) e la classificazione dei componenti fondamentali dell’Universo. Resta esclusa la forza di gravità: mettere insieme il Modello Standard con la Relatività Generale è probabilmente la più grande sfida aperta nella fisica contemporanea.

Nel Modello Standard, un bosone è un tipo di particella subatomica dotata di alcune caratteristiche specifiche. I tipi più semplici di bosoni sono quelli che funzionano da mediatori, ossia da intermediari nelle interazioni che abbiamo visto: i fotoni ad esempio sono i bosoni mediatori dell’interazione elettromagnetica, i gluoni quelli dell’interazione nucleare forte, eccetera. Se volessimo essere divertenti, potremmo dire che i bosoni sono le “particelle della forza” (ma mettete via le vostre spade laser e nessuno si farà male).

Queste particelle mediatrici sono in generale bosoni vettori, ossia possiamo pensarle come particelle che vengono scambiate per realizzare gli effetti delle interazioni fondamentali. Il bosone di Higgs invece è un bosone scalare: questo significa che non viene scambiato tra altre particelle, ma realizza i suoi effetti semplicemente con la sua presenza. E quali sono questi effetti?

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L'importanza del bosone di Higgs

Noi siamo abituati, in mancanza di meglio, ad immaginare le particelle come palline che si muovono dello spazio e interagiscono fra loro. In questa immagine mentale, è facile cadere nella trappola che sembra suggerire che palline grandi abbiamo una grande massa, mentre palline piccole abbiamo una piccola massa. In realtà, per il Modello Standard, le particelle sono complicati enti matematici descritti da una serie di numeri e funzioni matematiche che ci dicono cosa fanno e come interagiscono tra loro. Bene, nessuna di queste dice in alcun modo quali di queste particelle abbiamo una massa e quanto possa valere. L’origine della massa delle particelle era quindi ignota finché un meccanismo non venne proposto nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs.

Semplificando enormemente, Higgs ha ipotizzato che lo spazio, anche quello vuoto, fosse permeato da un campo scalare con energia non nulla, che potesse quindi essere immaginato come una “zuppa di bosoni”. All’interno di questa zuppa, le particelle interagivano con questi bosoni: alcune di queste subivano intensamente gli effetti della zuppa; altre invece li subivano poco. Gli effetti di questo “meccanismo di Higgs” davano origine a ciò che noi chiamiamo massa: le particelle che interagivano fortemente con i bosoni di Higgs erano quelle che noi consideriamo dotate di una massa significativa; quelle che invece interagivano debolmente (o per nulla) erano quelle che noi consideriamo dotate di una massa piccola (o nulla).

Ma il grande risultato di Higgs fu che nel suo lavoro riuscì anche ad ipotizzare quale fosse la massa dello stesso bosone che stava teorizzando (e che dipendeva esso stesso dal medesimo meccanismo che stava immaginando). Questo ha dato agli scienziati un punto di riferimento per progettare degli esperimenti con i quali confermare – o smentire – l’esistenza di questa particella.

Ci sarebbero voluti quasi 50 anni (e tutta la potenza del più grande acceleratore di particelle mai costruito finora dagli esseri umani: il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra), ma infine del 2012 fu annunciata la conferma dell’esistenza del bosone di Higgs, facendo fare un passo fondamentale nella conferma del Modello Standard, e un balzo da gigante nella nostra comprensione dell’Universo che esiste intorno (e dentro) di noi!

Perché il bosone di Higgs è chiamato "particella di Dio"?

Forse avrete sentito parlare del bosone di Higgs con una espressione che fa venire le convulsioni a tutti i fisici nelle vicinanze (credenti o meno): la particella di Dio.

Diciamo subito, e senza dubbio alcuno, che la particella in questione non ha nessuna attinenza con divinità di nessun tipo: l’espressione viene dal titolo di un libro di divulgazione sulla fisica teorica del 1998 La particella di Dio: Se l'Universo è la risposta, qual è la domanda? (in inglese The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?) di Leon Lederman e Dick Teresi.

In realtà, il titolo del libro sarebbe dovuto essere La stramaledetta Particella (The Goddamn Particle), in riferimento all’estrema difficoltà in quegli anni di riuscire a trovare prove della sua esistenza: l’editore però aveva rifiutato il titolo perché troppo controverso, e aveva deciso di utilizzare una versione più edulcorata. Una decisione che da una parte ha certamente contribuito alla fama della particella e del suo padre scientifico, ma che d’altra parte ha generato probabilmente ancora più controversie!