Guido Tonelli

La scoperta del bosone di Higgs: un sogno divenuto realtà

Sono passati più di vent’anni da quando, nei primi anni ’90, ci riunivamo al CERN, in piccoli gruppi, per discutere di LHC, il nuovo potente acceleratore che si stava allora progettando. Ricordo come fosse ieri le discussioni accese [...]

Sono passati più di vent’anni da quando, nei primi anni ’90, ci riunivamo al CERN, in piccoli gruppi, per discutere di LHC, il nuovo potente acceleratore che si stava allora progettando. Ricordo come fosse ieri le discussioni accese intorno ai disegni concettuali dei giganteschi rivelatori schizzati a penna sui tovagliolini di carta della caffetteria del CERN, sede storica di tutte le discussioni sui nuovi progetti.

Furono anni di discussioni appassionate, di entusiasmi incredibili e di delusioni cocenti. Ci furono anche conflitti, spesso aspri, con una larga parte della comunità dei colleghi che ci considerava alla stregua di pazzi: troppo avveniristiche le tecnologie che proponevamo, troppo ostile l’ambiente delle altissime luminosità di LHC. Molti fra i colleghi più esperti ci guardavano con aria di sufficienza; come a dire: “in bocca al lupo ma non ce la farete mai”. Alcuni, compresi un paio di premi Nobel, alzavano il sopracciglio di fronte a questa nuova generazione di fisici quarantenni che volevano riuscire laddove tutti gli altri avevano fallito: scoprire il bosone di Higgs.

Il sogno di quello sparuto gruppo di pionieri è oggi divenuto realtà e, come spesso succede, ora sembra una storia fatta solo di successi e di gloria. In realtà è stata una avventura rischiosa e difficilissima, sempre in bilico fra il successo clamoroso ed il rischio del fallimento. Basti ricordare le numerose crisi che abbiamo attraversato durante la costruzione, quando i componenti più critici, quelli che richiedevano nuove e più avanzate tecnologie sembravano non funzionare o costavano troppo rispetto al budget disponibile. Basti ricordare lo shock del settembre 2008, quando dopo dieci giorni di collaudo, in cui tutto sembrava marciare a gonfie vele, la macchina inciampò in un disastroso incidente che la mise al tappeto per più di un anno, danneggiando decine di magneti e costringendo tutti a rivedere i piani messi a punto in anni di preparazione. Niente più collisioni a 14 TeV ma una lenta e faticosa ripartenza a metà energia ed intensità molto più bassa di quella di progetto. La macchina avrebbe funzionato a 7 TeV e tutti erano convinti che in queste condizioni non ci sarebbe stata speranza di scoprire il bosone di Higgs prima di procedere alle riparazioni necessarie per raggiungere i 14 TeV di progetto. La botta fu tremenda e dovemmo affrontare altri mesi difficilissimi, di delusione e di scoramento. Poi la reazione, d’orgoglio, lucida, certamente razionale, ma condita anche, come accadeva negli anni dei pionieri, da un pizzico di sana follia: «E noi ci proveremo lo stesso. Ne abbiamo vinte tante di sfide per arrivare a costruire questi gioielli di tecnologia che sono LHC ed i suoi rivelatori, e vinceremo anche questa». Mentre ne scrivo mi sembrano storie di un decennio fa ma sono passati poco più di due anni, da quando cominciammo a reclutare le menti migliori fra le migliaia di giovani di CMS e di ATLAS (e fra essi centinaia di ragazzi e ragazze dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN) per concentrare gli sforzi nella caccia al bosone di Higgs utilizzando metodi innovativi, spingendo al massimo la qualità dei metodi di selezione di analisi. Se oggi il mondo intero celebra questo nuovo successo scientifico, il merito va soprattutto a questi ragazzi, che hanno saputo raccogliere la sfida con l’entusiasmo e la passione di cui solo i giovani, quando sono chiamati a prendersi grosse responsabilità e quando vedono che si ha fiducia in loro, sono capaci.

 

Una pagina nuova nella fisica moderna

Con l’osservazione di una nuova particella che ha caratteristiche simili a quelle previste dal bosone di Higgs i due esperimenti maggiori di LHC, ATLAS e CMS hanno aperto un nuovo capitolo nella storia della fisica le cui conseguenze a lungo termine sono tuttora difficili da valutare appieno.

La nuova particella scoperta ad LHC sembra avere tutte le caratteristiche previste per il bosone di Higgs. I nuovi dati raccolti dopo l’annuncio della scoperta confermano da un lato la presenza del segnale, dall’altro lato rafforzano le indicazioni che si tratta verosimilmente di uno scalare e che ha accoppiamenti, con le altre particelle, compatibili con quelli previsti dal Modello Standard per il bosone di Higgs. Per raggiungere conclusioni più definitive occorrerà attendere ancora qualche mese, nel periodo a cavallo fra la primavera e l’estate, quando verranno pubblicate le nuove analisi su tutta la statistica raccolta nel 2012 (ci si aspetta di poter analizzare il doppio dei dati fin qui utilizzati). Ma intanto la comunità dei fisici è al lavoro sulle implicazioni della scoperta e sulle nuove domande che essa suggerisce.

Intanto, molto probabilmente, dovremo abbandonare il concetto semplicistico di massa come proprietà “intrinseca” della materia. Concetto che è sopravvissuto per secoli e che è stato condiviso anche da giganti della fisica come Galileo, Newton ed Einstein. Ci sono voluti Brout, Englert ed Higgs, con il loro sforzo di capire come mai i fotoni avevano massa nulla mentre i portatori dell’interazione debole, i bosoni W e Z erano così massicci. Per spiegare questa differenza occorreva abbandonare l’idea che la massa fosse una proprietà intrinseca delle particelle elementari. Viceversa esse sarebbero generate tutte, democraticamente, prive di massa ed avrebbero acquisito la loro peculiare massa in maniera “dinamica”  mediante l’interazione col nuovo campo scalare.

Saremmo quindi sulla buona strada per capire cos’è avvenuto un centesimo di miliardesimo di secondo dopo il big-bang. Oggi possiamo dire che in quell’istante, quando la temperatura dell’Universo si è raffreddata abbastanza da permettere l’instaurarsi del campo di Higgs, la forza debole venne definitivamente separata dalla forza elettromagnetica e quark e leptoni acquistarono quelle masse così peculiari che hanno consentito la nascita degli atomi, lo sviluppo della chimica e dato il via a quella evoluzione dell’universo della quale noi stessi, fragili abitanti del pianeta Terra, siamo un risultato. In breve dobbiamo riscrivere i libri di fisica.

Nuovi interrogativi e nuove sfide

Mentre si continua ad analizzare i dati per studiare in dettaglio le caratteristiche della nuova particella, le questioni aperte sono ancora molte. La scoperta del bosone di Higgs completa e rende trionfante il successo del Modello Standard delle particelle elementari. E tuttavia sappiamo già che esso non spiega molti fenomeni che giocano un ruolo fondamentale nel nostro universo quali la presenza di materia ed energia oscura o l’asimmetria fra materia ed antimateria. Nonostante un ulteriore, eclatante successo, sappiamo che il Modello Standard rimane una teoria incompleta. È solido e consistente ma ci potrebbe essere una scala di energia alla quale si rompe e compaiono nuove particelle. Teorie diverse, in competizione fra loro, prevedono l’apparire di vari fenomeni: la comparsa di partner supersimmetrici delle particelle conosciute, o l’apparizione di nuovi stati della materia sotto forma di particelle estremamente massicce quali quelle previste da teorie basate su extra-dimensioni.

L’esplorazione di LHC continuerà ma, per queste ricerche sarà davvero necessario contare sull’energia massima di progetto. Fra un mese l’acceleratore si fermerà ed entrerà in una fase di manutenzione straordinaria. Verranno riparate tutte le interconnessioni difettose che hanno finora impedito alla macchina di funzionare a piena potenza. Ci sarà bisogno di centinaia di tecnici ed ingegneri e circa due anni di lavoro. Nel 2015 ATLAS e CMS riprenderanno la loro corsa alla ricerca dei segnali di nuova fisica esplorando le collisioni fra protoni all’energia mai raggiunta finora di 13-14TeV.

Ma d’ora in avanti LHC funzionerà anche come “fabbrica di Higgs”. Accumulando un’alta statistica di bosoni di Higgs pienamente ricostruiti sarà possibile studiare con precisione tutte le sue caratteristiche. La più piccola delle anomalie negli accoppiamenti del bosone sarebbe un’ulteriore enorme scoperta perché proverebbe in maniera indiretta la presenza di nuove particelle non previste dal Modello Standard e darebbe indicazioni preziose sulle loro caratteristiche. L’importanza di questa nuova linea di ricerca è sottolineata dalle discussioni in corso sulla costruzione di un nuovo acceleratore specificatamente finalizzato alla produzione su vasta scala di bosoni di Higgs. Ci sono proposte di costruire in Giappone un acceleratore lineare di elettroni e positroni mentre si avanzano idee ancora più innovative di utilizzare muoni, specie di elettroni pesanti che non irraggiano significativamente e quindi non richiedono le grandissime potenze installate nelle macchine ad elettroni tradizionali.

Insomma il mondo della fisica delle alte energie è in effervescenza. Siamo nel bel mezzo di una rivoluzione scientifica i cui contorni, forse, diverranno più chiari fra qualche tempo.

Gli esperimenti di LHC sono solo all’inizio di una esplorazione che durerà per lo meno per altri 20 anni. Probabilmente, nel prossimo decennio, ad LHC si aggiungeranno altre grandi ed innovative infrastrutture di ricerca. C’è bisogno di una nuova generazione di giovani fisici desiderosa di raccogliere le sfide di questa nuova fase. Costruiamo tutti le condizioni per cui questo possa avvenire.

GUIDO TONELLI è uno dei protagonisti della recente scoperta del bosone di Higgs ad LHC. È professore di Fisica Generale all’Università di Pisa e ricercatore associato all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Ha condotto ricerche in fisica delle alte energie in esperimenti al CERN (Svizzera) e Fermilab (USA). Ha lavorato con l’esperimento CMS al CERN a partire dal 1993 ed ha servito come Spokesperson di CMS nel 2010 e 2011. Per il suo contributo alla scoperta di un nuovo bosone di tipo Higgs ha vinto, con altri sei scienziati fra cui Fabiola Gianotti, il prestigioso “Special Prize for Fundamental Physics 2012” finanziato dalla Milner Foundation. 

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