Bosone di Higgs tesina

“Una docile fibra dell’universo”: il bosone di Higgs

Francesca Rossi V B

Premessa

Nel 1964 Peter Higgs ipotizzò l’esistenza di una particella che avrebbe conferito massa a tutte le altre particelle. L’8 ottobre 2013 Higgs ricevette il Premio Nobel per la Fisica dopo che l’esistenza del bosone fu empiricamente dimostrata e annunciata il 6 marzo 2013 nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN.

La trattazione avrà un’impostazione soprattutto di tipo qualitativo, essendo l’analisi quantitativa di questo argomento molto complessa per essere affrontata a livello liceale. L’impostazione descrittiva sarà sufficiente a dare un quadro complessivo di come fu scoperto il bosone e di come in questo ambito ogni esperimento sia propedeutico al successivo.

Il percorso inizierà analizzando gli esperimenti e le scoperte che hanno permesso di costruire i macchinari grazie ai quali si è verificata in modo quasi certo l’esistenza della particella ipotizzata da Higgs.

Seguirà l’illustrazione delle caratteristiche del bosone, del campo di Higgs e delle apparecchiature che ne hanno reso possibile il ritrovamento.

Infine l’esposizione verterà sul carattere filosofico della ricerca scientifica, con opportuni riferimenti al pensiero di Popper, e sottolineerà l’importanza dell’esperienza sensata, guidata da un’ipotesi contrapponendo il criterio di falsificabilità a quello di verificabilità.

(collisione di due fasci di protoni)

Indice

• 1- La particella di Dio a.H (avanti Higgs)
• 1.1- Crookes, Thomson e Rutherford
• 1.2- Modello standard della materia
• 2- Eureka
• 2.1- Il lavoro svolto dal CERN:
• Linac2, PSB, PS, SPS, LHC
• 2.2- Il bosone ed il campo di Higgs
• 3- Hýbris
• 3.1- Sete di conoscenza e ricerca scientifica
• Bibliografia
• Sitografia

1.1- Crookes, Thomson e Rutherford

“Si racconta che la dea della conoscenza sia uscita dalla mente di Zeus già adulta, ma accade raramente che una concezione scientifica nasca nella sua forma definitiva o sia riconducibile a un’unica paternità. Più spesso è il prodotto di una serie di menti, ognuna delle quali interviene a modificare le idee di coloro che l’hanno preceduta e fornisce nuovo materiale a coloro che la seguono” (George P. Thomson).

Il televisore a tubi catodici come precursore dell’LHC

Nella prima metà dell’Ottocento Faraday ed altri scienziati studiarono cosa succede in un tubo vuoto con due piastre metalliche poste agli estremi dello stesso applicando una differenza di potenziale: il risultato fu una debole luminescenza.

Nel 1870 Crookes portò il vuoto all’interno dei tubi precedentemente utilizzati da Faraday ad una condizione ancora migliore fino a raggiungere 10 micro atmosfere.

Egli osservò che la luminescenza non era più nel mezzo del tubo catodico ma dietro alla mascherina a forma di croce di Malta che egli vi aveva inserito rispetto al catodo: si poteva vedere l’ombra della mascherina sul vetro retrostante.

Nel 1897 Thomson riuscì a dimostrare che dal catodo vengono emesse particelle che sono poi attratte dall’anodo.

Se non vi fosse il vuoto totale gli elettroni urterebbero gli atomi d’aria producendo delle collisioni visibili sotto forma di luce tra l’anodo ed il catodo.

Se invece vi è il vuoto gli elettroni arrivano fino alla croce di Malta e quelli che non la colpiscono urtano il fondo del tubo generando luce per il fenomeno descritto in precedenza in caso di vuoto non totale.

Queste particelle che si muovevano dal catodo all’anodo furono chiamate raggi catodici.

Per dimostrare che le particelle sono emesse dal catodo e non dall’anodo basta immergere il tubo in un campo magnetico e si osserva che la luminosità ottenuta viene deflessa per l’azione esercitata dal campo.

In seguito Thomson effettuò un esperimento per determinare il rapporto tra massa e carica dell’elettrone. Per calcolare la massa dell’elettrone si dovrà attendere Millikan.

Thomson dimostrò quindi che i raggi catodici erano costituiti da elettroni ed elaborò un modello di struttura dell’atomo: l’atomo come un “panettone” di elettroni e protoni.

Nel 1909 Rutherford cercò di verificare l’ipotesi del modello atomico avanzata da Thomson. Quindi secondo il modello atomico di Thomson, se atomi e particelle molto pesanti si urtano, esse si scontrano ma le particelle pesanti non deviano più di tanto se incontrano elettroni e protoni: si comporterebbero come un tir lanciato a piena velocità che incontra un ammasso di biciclette sul suo cammino.

Egli prese quindi come particelle pesanti delle particelle α prodotte dal decadimento del Radio (Ra) e inserì la fonte di raggi α in un contenitore di Piombo con un foro.

Le particelle α, grazie alla grande energia generata dal decadimento del Ra, venivano sparate fuori dal contenitore di piombo a grande velocità e urtavano una lamina d’oro posta di fronte al foro. Fu utilizzato l’oro perché poteva essere ridotto a spessori sottilissimi. Circondò la lamina con uno schermo che emetteva lampi di luce fosforescente se colpito da particelle cariche che vengono in questo caso riflesse dall’oro.

In teoria, secondo il modello di Thomson, le particelle α avrebbero dovuto attraversare la lamina: se avessero urtato un elettrone non avrebbero deviato e se invece avessero urtato un protone la deviazione di traiettoria sarebbe stata minima.

Ma a livello pratico lo schermo fosforescente circostante si illuminava spesso in parti opposte alla traiettoria rettilinea delle particelle come se esse avessero rimbalzato contro qualcosa di pesantissimo.

Rutherford concluse quindi che l’atomo aveva in realtà un nucleo rigido, pesante e resistente.

Inoltre il nucleo è positivo e gli elettroni orbitano all’esterno di esso. Ciò è importante poiché giustifica il fatto che gli elettroni possano essere strappati per effetto termoionico dal proprio nucleo nei cannoni ionici del duoplasmatron.

Venne elaborato quindi un modello planetario che venne via via raffinato a scale minori nel corso degli anni, fino ad arrivare alla conclusione che le interazioni tra le forze sono mediate da particelle: i quanti mediatori.