6 incontri per conoscere i Nobel 2013

PERCHÉ I NOBEL HANNO VINTO IL PREMIO

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Un ciclo di incontri in Ateneo dedicato ai Nobel 2013. In questo numero: "La scoperta del bosone di Higgs"
di Ignazio Lazzizzera

Il Premio Nobel per la Fisica 2013 è stato assegnato a François Englert, Peter Higgs per "La scoperta dei meccanismi che danno origine alla massa delle particelle subatomiche Higgs: per la teorizzazione del bosone che porta il suo nome". Cerchiamo di capire di cosa si tratta.

A parte la gravità classica, descritta con la più bella delle teorie di fisica, la Relatività Generale di Albert Einstein, si distinguono tre tipi di interazione fondamentale:
- interazione elettromagnetica, che dà conto per esempio della struttura atomica e molecolare; della materia macroscopica; delle tecnologie elettroniche e di telecomunicazione; di applicazioni mediche come con i ben noti raggi x;
- interazione nucleare debole, che presiede a molti aspetti della radioattività ed ha parte decisiva nel bilancio energetico delle stelle;
- interazione nucleare forte, responsabile della struttura nucleare e delle reazioni nucleari che sono alla base della vita delle stelle, come della loro produzione di energia.
Nella costruzione delle corrispondenti teorie fisiche è essenziale assicurare l'invarianza relativistica, così che le leggi della fisica abbiano forma indipendente dal particolare sistema di riferimento (inerziale). Di fatto l’invarianza relativistica riflette proprietà di simmetria dello spazio-tempo, le quali implicano le fondamentali leggi fisiche di conservazione di energia, quantità di moto (o impulso) e momento angolare (la conservazione della quantità di moto implica la legge di azione e reazione; la conservazione del momento angolare ci permette, per esempio, di stare in equilibrio con una certa facilità su una bici in movimento).

La teoria dell'elettromagnetismo è formulata mediante una sorta di estensione dello spazio-tempo che gode della cosiddetta simmetria di gauge, cui corrisponde la legge fisica di conservazione della carica elettrica. Conseguenze sono: a) che la trasformazione bi-direzionale tra massa ed energia, prevista dalla teoria della Relatività Ristretta di Einstein, avviene preservando la carica elettrica totale; b) che ad una fissata scala di energie l'intensità dell'interazione elettromagnetica non viene influenzata dalle coesistenti forze nucleari forti. Questa simmetria viene indicata col simbolo U{1}.
Anche l’intensità dell'interazione nucleare debole non viene sostanzialmente influenzata dalle coesistenti forze nucleari forti ed a giustificare questo fatto Feynman suggerì una nuova e più complessa simmetria di gauge, indicata col simbolo SU{2}.
Nelle teorie quantistiche delle interazioni fondamentali un sistema fisico si figura come immerso in un ambiente pervasivo, detto stato di vuoto, nel quale particelle sono create e/o distrutte attraverso l'azione di corrispondenti cosiddetti campi. Si assume che lo stato di vuoto sia unico ed invariante rispetto alle operazioni di simmetria dello spazio-tempo (cambiamenti del sistema di riferimento); analoga invarianza usualmente si ha anche rispetto alle simmetrie di gauge, ma non necessariamente: quando il vuoto non è invariante per una simmetria, si dice che si ha rottura spontanea della simmetria.
L'interazione elettromagnetica può essere rappresentata come trasferimento di energia-impulso attraverso quanti elettromagnetici detti fotoni, particelle di massa nulla rispondenti a una visuale duale delle onde elettromagnetiche. In prima approssimazione, dal vuoto viene creato un fotone a spese di energia-impulso di una delle particelle in interazione; il fotone trasferisce quell'energia-impulso ad un'altra particella, venendo a quel punto riassorbito dal vuoto. I fotoni son detti portatori dell’interazione elettromagnetica. Il meccanismo descritto poggia su una concezione dinamica dello stato di vuoto, per cui esso origina continue fluttuazioni intorno ai campi: in determinate condizioni tali fluttuazioni possono generare particelle, ma usualmente mediano a zero intorno ad un campo isolato.

Qualcosa di analogo avviene per le interazioni deboli, con l'intervento tuttavia di tre differenti particelle portatrici, dette  e , massive, scoperte nel 1983 al CERN da Carlo Rubbia, premio Nobel l'anno successivo insieme a van der Meer.
 sono elettricamente cariche, mentre  è neutra.
Alla scala delle energie cui siamo famigliari l’interazione nucleare debole è per ordini di grandezza meno intensa dell’interazione ettromagnetica. Tuttavia al crescere delle energie entrambe crescono, la prima più rapidamente della seconda, così finendo col convergere. Questo fatto ha indotto a pensare che le due possano essere aspetti di una medesima interazione fondamentale. Già nel 1958 Glashow indicò in una simmetria di gauge combinata SU{2}xU{1} le fondamenta di una teoria unificata. Emerse tuttavia subito il problema che tutte le particelle in una tale teoria dovrebbero avere massa nulla, cosa proprio non vera in natura. Nambu nel 1960 ed Anderson nel 1961 indicarono una possibile strada verso la soluzione del problema mediante rottura spontanea di simmetria; poi Brout ed Englert in agosto 1964 e più chiaramente Higgs nell'ottobre dello stesso anno diedero la soluzione finale in quella direzione, con ulteriore contributo di Kibble, Guralnik ed Hagen in novembre.

Figura AAffinché nella teoria unificata i campi di  assumano struttura compatibile con l'essere massivi, è necessario introdurne tre nuovi campi, due elettricamente carichi ed uno neutro, destinati a mescolarsi opportunamente ai primi. Si verifica però che per realizzare l'intento senza rompere la simmetria di gauge è necessario introdurre quattro nuovi campi, non tre, due elettricamente carichi e due neutri, posti in un insieme collettivamente denominato campo di Higgs. Tuttavia, usando il campo di Higgs in una tipica configurazione geometrica che assicura un singolo stato di vuoto, non si ottiene il risultato voluto (in Fig. A tale geometria è illustrata come una superficie curva avente un unico punto di minimo corrispondente allo stato di vuoto). La geometria alternativa proposta da Higgs, Bout ed Figura BEnglert è illustrata in Fig. B, dove si evidenzia l’esistenza di un insieme infinito di punti di egual minimo, ognuno connesso agli altri attraverso trasformazioni di gauge; tuttavia è necessario sceglierne uno solo tra tutti come il vuoto della teoria, in questo dando origine a rottura spontanea della simmetria di gauge. Ulteriore fondamentale conseguenza è che le fluttuazioni generate dal vuoto attorno al campo di Higgs, pur isolato, non mediano a zero, ma ad un valore v non nullo; questo indipendentemente dal vuoto prescelto. Esattamente questa circostanza comporta la generazione di tutte le masse, i cui valori risultano infatti proporzionali a v.
Come descritto, tre dei quattro componenti il campo di Higgs concorrono alla ristrutturazione di