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Il meccanismo di Higgs "spiegato ai ragazzi"An easy explanation of Higgs mechanism

L’8 ottobre 2013 viene assegnato il premio Nobel al fisico teorico belga Francois Englert e al fisico scozzese Peter Higgs “per la scoperta teorica di un meccanismo che contribuisce alla nostra comprensione delle origini della massa delle particelle subatomiche e che recentemente è stata confermata attraverso la scoperta della particella prevista (il bosone di Higgs, ndr), dagli esperimenti Atlas e Cms con il Large Hadron Collider del Cern”. Ma cos’è il bosone di Higgs? Perché è stata una scoperta così importante?

Iniziamo con un  po’ di storia. Nel 1964 la teoria, denominata in seguito meccanismo di Higgs, fu sviluppata indipendentemente da Peter Higgs e da François Englert e Robert Brout. Solo il primo però, in una nota conclusiva della pubblicazione, dichiarava esplicitamente la possibile esistenza di una nuova particella: il bosone di Higgs.  Robert Brout, morto nel maggio del 2011, non è stato insignito del premio Nobel perché il regolamento non prevede l’assegnazione a persone decedute.

Occorre fare adesso una precisazione: il bosone di Higgs è noto al grande pubblico come “la particella di Dio”. Questo nome, totalmente fuorviante, trova origine nella biografia di Leon Lederman, premio Nobel e direttore nel passato del laboratorio Fermilab a Chicago, il quale definì la particella come “the Goddamn particle”, la particella maledetta (o “The God particle”, la particella Dio, come venne in seguito modificato dall’editore) a causa dell’importanza e della difficoltà nel rivelarla. In Italia essa ha subito un ulteriore cambiamento diventando “God’s particle”, la particella di Dio, nome non condiviso dalla comunità scientifica.

Higgs e Englert
Higgs e Englert

Nella teoria chiamata "Modello standard" tutta la materia sarebbe formata da due tipologie di particelle elementari: i bosoni, aventi momento angolare intrinseco (detto spin) intero e i fermioni, aventi spin frazionario. Questa “piccola” differenza fa assumere alle suddette particelle comportamenti completamente diversi: i secondi, infatti, seguono la statistica di Fermi-Dirac e obbediscono, di conseguenza, al principio di esclusione di Pauli; i primi seguono la statistica di Bose-Einstein e possono formare stati condensati. Tra i fermioni troviamo i quark (up, down, strange, charm, top e bottom) e i leptoni (elettrone, muone, tau e i tre rispettivi neutrini). Appartengono ai bosoni, invece, il fotone, il gluone, le due particelle cariche W e lo Z neutro i quali sono rispettivamente i mediatori delle interazioni fondamentali: elettromagnetica, forte e debole.

Modello standard
Modello standard

Così come avviene nella teoria dell’elettromagnetismo, alla base della formulazione del Modello standard viene posto un principio di simmetria che consiste nell'invarianza della teoria sotto opportune trasformazioni, dette trasformazioni di gauge. Prima del lavoro di Higgs, Englert e Brout non si era in grado di giustificare l’esistenza di bosoni dotati di massa, come lo Z e il W, all’interno dello schema senza stravolgerlo, rinunciando così a molti suoi poteri predittivi. Mancava un modo per spiegare perché certe particelle sono più pesanti di altre senza perdere la simmetria.

Il fenomeno della rottura spontanea della simmetria si presenta in molte situazioni in fisica: un magnete riscaldato sopra il punto di Curie non possiede un momento magnetico netto in quanto i domini elementari sono puntati in direzioni casuali.  Se raffreddato, però, i domini tenderanno ad allinearsi in una direzione particolare, provocando un momento magnetico risultante e rompendo così la simmetria rotazionale. La rottura è spontanea perché nessun agente esterno ne è responsabile, cosa che accade, invece, quando, per esempio, la gravità rompe la simmetria tridimensionale rendendo la direzione verticale sostanzialmente diversa dalla direzione orizzontale (Griffiths, Introduction to Elementary Particles). Salam dette un divertente esempio di rottura di simmetria su scala macroscopica: immagina N commensali seduti simmetricamente attorno ad una tavola circolare, con N panini posti equidistanti tra persone adiacenti. Così ogni commensale troverà un panino alla sua destra e alla sua sinistra. Qualcuno deve rompere la simmetria prendendo un panino, per esempio alla sua sinistra, quando tutti gli altri saranno costretti a seguire il suo esempio (Perkins, Introduction to High Enery Physics).

La rottura spontanea della simmetria di gauge elettrodebole, che permette di includere i bosoni massivi nel Modello standard, è causata dall’esistenza di un campo, detto campo di Higgs, che permea tutto lo spazio vuoto dell’universo con un valore di aspettazione diverso da zero. Inoltre, questo meccanismo è in grado di spiegare, ma non prevedere quantitativamente, la massa dei fermioni attraverso l’accoppiamento tra essi e il suddetto campo e introduce nella teoria una nuova particella dotata di massa: il bosone di Higgs.

Per spiegare meglio questo ultimo passaggio immaginiamo di essere ad una festa: prima che arrivino gli invitati, le persone organizzatrici, siano esse VIP o semplici tecnici che preparano al meglio l’ambiente, essendo la sala vuota possono muoversi liberamente alla stessa velocità e senza distinzione. Quando la festa è iniziata e la sala si è riempita le persone inizieranno a muoversi in maniera diversa: il tecnico o la persona sconosciuta continuerà a muoversi in maniera più o meno indisturbata mentre il VIP sarà assalito dai fans che chiedono l’autografo o vogliono scattare una foto. Così la persona famosa avrà una certa inerzia nel muoversi e lo farà molto più lentamente. Le due tipologie di persone rappresentano due particelle di massa diversa mentre gli invitati riproducono il funzionamento del campo di Higgs.

Allo stesso modo, prima della rottura della simmetria, lo spazio era “vuoto” e tutte le particelle si potevano muovere indisturbate alla stessa velocità. La rottura della simmetria, causata dalla presenza (o condensazione) del campo di Higgs in tutto lo spazio, provoca adesso una differenziazione nel comportamento delle varie particelle: quelle che interagiscono maggiormente con il campo saranno rallentate, faranno più fatica nel muoversi, proprio come un corpo grosso e pesante; quelle che non interagiscono non saranno influenzate. Così, i bosoni vettori W e Z assumeranno una massa mentre il fotone, per esempio, si comporterà come se niente fosse accaduto.

E il bosone di Higgs? Questa particella rappresenta l’interazione del campo con se stesso. Nell’esempio precedente della festa, gli invitati, che parlano tra loro e si muovono, possono spontaneamente addensarsi in gruppi di persone dando così vita ad una nuova particella.

http://www.youtube.com/watch?v=qxJprDMUDqI

Grazie al meccanismo di Higgs e alle conferme sperimentali del Cern siamo quindi in grado di spiegare perché le particelle hanno massa. Rimangono ancora aperte tantissime questioni, come la presenza di materia oscura, l’asimmetria materia- antimateria, i parametri liberi presenti nel Modello standard e l’assenza in esso di una descrizione dell’interazione gravitazionale.


On October 8th 2013, the Nobel Prize in physics was awarded jointly to the Belgian Francois Englert and the Scottish Peter Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle (the Higgs boson), by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider" But what is the Higgs boson? Why was its discovery so important?

Let's start with a bit of history. In 1964 Peter Higgs, François Englert and Robert Brout independently developed a theory, later called “Higgs mechanism”. Only the first one, however, in a concluding note of the publication, stated explicitly the possible existence of a new particle: the Higgs boson. Robert Brout, who died in May 2011, was not awarded the Nobel Prize, as by its regulation it cannot be given posthumously.
Now need to clarify one thing: the Higgs boson is known to media and general public as "God’s particle". This name is totally misleading. Leon Lederman, Nobel laureate and Director Emeritus of the Fermilab laboratory in Chicago, called the particle, in his biography ,"The Goddamn Particle ". This name was modified later by the publisher in “The God particle”, seen its importance and the difficulty in revealing it. In Italy, it has undergone a further change becoming "God's particle", a name which has been criticized by the scientific community, but has been widely successful in the media.

Higgs e Englert
Higgs e Englert

In the theory called Standard Model, all matter consists of two types of elementary particles: bosons, which have integer intrinsic angular momentum (called spin) and fermions, with half-integer spin. This "small" difference leads them to assume completely different behaviors: the latter, in fact, follow the Fermi-Dirac statistics and obey to the Pauli Exclusion Principle; the former on the contrary follow the Bose-Einstein statistics and can make a condensed state. Among fermions we find quarks (up, down, strange, charm, top and bottom) and leptons (electron, muon, tau and three corresponding neutrinos). On the other hand, photons, gluons, Z and the two charged particles W belong to bosons, and are respectively mediators of three fundamental interactions: electromagnetic, strong and weak force.

Modello standard
Modello standard

As is the case of electromagnetism, the basis for the formulation of Standard Model is put in a principle of symmetry: the invariance of the theory under appropriate transformations, called gauge transformations. Before the work of Higgs, Englert and Brout we were not able to justify, within the system, the existence of bosons with mass, such as the Z and W, without distorting the structure and giving up much of his predictive power. There was no way to explain why some particles are heavier than others without losing symmetry.
The phenomenon of spontaneous symmetry breaking occurs in many situations in physics: a magnet heated above the Curie point does not show a net magnetic moment because the elementary domains are pointing in random directions. If cooled, however, the domains tend to align in a particular direction, causing a resultant magnetic moment and thus breaking the rotational symmetry. The rupture is spontaneous because “no external agent is responsible for it, as occurs, for example, when gravity breaks the three-dimensional symmetry making the vertical direction quite different from the horizontal direction.” (Griffiths, Introduction to Elementary Particles). Salam has given an amusing example of symmetry breaking on a macroscopic scale: “imagine N diners seated symmetrically around a circular table, with N bread rolls placed equidistantly between adjacent diners. Thus any diner will find a bread roll both on his left and on his right. Someone has to break the symmetry by taking a roll, say that on his left, when all the other diners will be compelled to follow suit.” (Perkins, Introduction to High Energy Physics).
The spontaneous symmetry breaking of the electroweak gauge, which allows us to include the presence of massive bosons in Standard Model, is caused by the existence of a field, called Higgs field, which permeates all the vacuum space in the universe with an expectation value different from zero. Furthermore, this mechanism is able to explain, but not quantitatively predict, the mass of fermions through the coupling between them and the field, and introduces in the theory a new particle with mass: the Higgs boson.
To better explain this last step imagine to be at a party: before guests arrive, the room being empty, all the people, whether VIPs or simple technicians who prepare the show, can move freely at the same speed and without distinction. Later, when the room is crowded, people begin to move in a different ways: the technician or the unknown person will continue to move in a more or less undisturbed way, while the famous star will be surrounded by fans asking for an autograph. So the latter will acquire a certain inertia in moving, and will do it much more slowly. The two kinds of people represent two particles of different mass, while the guests reproduce the action of the Higgs field.
Similarly, before the symmetry breaking the space was "empty", and all the particles could move freely at the same speed. The symmetry breaking, caused by the condensation of the Higgs field in the whole space, now introduces a difference in the behavior of the various particles: those which interact more strongly with the field will slow down, as they need a superior effort to move, just like a large and heavy body; those that do not interact at all with the field will not be affected. Thus, the vector bosons W and Z will be given a mass, while the photon, for example, will behave as if nothing had happened.
And what about the Higgs boson? This particle is the interaction of the field with itself. In the previous example of the party, the guests, talking to each other and moving in the room, can spontaneously gather in groups of people giving birth to a new particle.

http://www.youtube.com/watch?v=qxJprDMUDqI

Now, what’s next? Thanks to the Higgs mechanism and the experimental confirmation of CERN, we are able to explain why particles have mass. But the Standard Model is certainly not the last word on the subject. There are still many open questions: the presence of dark matter, the matter-antimatter asymmetry, the free parameters in Standard Model and the absence of a description of the gravitational interaction.

  • andrea.pe

    Apprezzo gli sforzi, ma da ora leggerò solo post spiegati a bambini.
    Bravo Nicco!