Fisica, Particelle

Higgs! una nuova fisica si affaccia?

Evento di decamento Higgs in 2 fotoni e 4 leptoni by CMS

Dopo l’avvio disastroso e sfortunato del 2008, LHC ha iniziato una presa dati corposa nel 2011 e tra giugno e luglio di quest’anno gli esperimenti ATLAS e CMS hanno analizzato moli gigantesche di dati che hanno portato ad un seminario congiunto dei due portavoce degli esperimenti in cui è stata mostrata la presenza di alcuni picchi interessanti nei dati analizzati. Attorno a 125 GeV, misura di massa nel linguaggio della fisica delle particelle, sia ATLAS che CMS hanno osservato avvalorando quindi a vicenda la proprie osservazioni, decine di eventi di decadimento in due fotoni dell’Higgs emergere dai molti dati analizzati. Questi eventi da soli non permettono di parlare di scoperta.

Nel 2012, in 11 settimane, LHC ha ottenuto la stessa mole di dati raccolti nell’intero 2011. Questo poteva permettere ai fisici di annunciare la scoperta del bosone di Higgs facendo nuova luce sulle proprietà della materia e dell’universo. Il Bosone di Higgs è l’ultimo tassello del modello standard delle particelle che fu teorizzato da P. Higgs nel 1964 e previsto indipendentemente da Engert, Brout e altri, ma non è ancora stato identificato sperimentalmente fino ad oggi. Questa particella è la manifestazione di una sorta di fluido etereo che permeando l’intero universo dovrebbe dare alla materia la caratteristica di avere massa. Il problema nella ricerca dell’Higgs è che non si conosce che massa dovrebbe avere e questo è proprio uno dei parametri principali che permette ai fisici delle particelle di riconoscere una particelle da un’altra.

Nel 1984 si ebbe una prima indicazione teorica, poi rivelatasi infondata, ha posizionato l’Higgs tra 10 e 100 volte la massa rivelabile con gli acceleratori dell’epoca dando così alla corsa tra gli enti di ricerca di tutto il mondo (Stati Uniti e Europa) nel costruire l’acceleratore più grosso ed energetico che avrebbe avuto energia e quindi massa nell’impatto compatibile con le scale dell’Higgs ipotizzate. Nel 1993 parte quindi il progetto del CERN per costruire LHC che avrebbe sostituito il LEP rendendo disponibile un energia di collisione sufficiente (14 TeV).

LHC è la macchina più complessa mai costruita dall’uomo. I fasci circolano in 1200 magneti refrigerati a -271 °C ciascuno fascio composto da 1400 pacchetti contenenti ciascuno 150 miliardi di protoni. Ogni volta che i fasci si scontrano producono da 10 a 30 collisioni il che corrisponde a circa mezzo miliardo di collisioni al secondo. Le collisioni protone-protone sono eventi molto caotici tanto che il grande fisico R. Feynman le defini delle collisioni tra bidoni di spazzatura.

Tra miliardi di eventi i fisici cercano la traccia dell’Higgs ed è interessante sapere che non lo possono trovare rilevandolo direttamente, ma possono vederne solo il prodotto dei suoi decadimenti, esso infatti ha una vita molto breve ma nel decadere produce alcune particelle che i sistemi possono rilevare.

La teoria prevede, a seconda della possibile massa dell’Higgs, che esso decada in modi differenti detti anche Canali di Decadimento. Nel 2011 i fisici del CERN si concentrarono sul canale in 2 fotoni e 4 leptoni carichi in quanto questi eventi sembravano emergere con maggiore facilità dal mare di segnale di fondo generato dai miliardi di eventi di collisione rivelati. Grazie poi all’eccezionale presa dati ottenuta dalle collisioni dei primi 6 mesi del 2012, unendo i dati provenienti sia da CMS che da ATLAS, si è potuto osservare alcuni eventi proprio nel canale in 2 fotoni che incontravano una la precisione di 5-sigma, fondamentale parametro per parlare di scoperta nel rigoroso mondo sperimentale della fisica delle particelle. I fisici più entusiasti, fecero trapelale subito la notizia di una possibile scoperta dell’Higgs, anticipando l’annuncio del 4 luglio del direttore del CERN Heuer.

“Penso che ce l’abbiamo” è quello che ha detto Heuer in conclusione del seminario tra gli scrosci di applausi. “Abbiamo una scoperta” prosegui usando cautamente questa parola “abbiamo osservato una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs”. I fisici hanno annunciato questa scoperta con molta cautela, in quanto prima di essere sicuri di aver trovato proprio il bosone previsto dalla teoria di P. Higgs, sanno che è loro dovere continuare le prese dati dalle collisioni in quanto è necessario verificare se davvero tutte le caratteristiche di questa particella si accordano alle previsioni, fin ora pare non del tutto.

Gli accoppiamenti della nuova particella con fotoni ad alta energia creano un notevole interesse. L’Higgs interagisce più intensamente con particelle più pesanti, ma i fotoni non hanno massa, quindi l’Higgs li produce attraverso l’interazione con altre particelle dotate di massa. Queste particelle sono richieste dalla teoria supersimmetrica e da altre teorie che quindi ci porterebbero in campi della fisica ben oltre il modello standard delle particelle. La fisica delle alte energie (TeV) ci potrebbe quindi traghettare, attraverso lo studio dell’Higgs e dei suoi possibili partner supersimmetrici, verso lo studio di altri campi di ricerca ancora irrisolti.

Le domande che circolano tra i fisici sono: l’Higgs ha un ruolo  nel meccanismo dell’inflazione cosmica prevista dall’attuale modello riconosciuto? l’Higgs interagisce con la materia oscura? le discrepanze travate rispetto alle previsioni teoriche sono delle fluttuazioni casuali che spariranno con maggiori dati raccolti? o sono la porta verso una nuova fisica?

Riferimenti:

– Higgs, finalmente ; G. Tonelli, S. L. Wu, M. Riordan ; Le Scienze di Ottobre 2012.

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