Bosone di Higgs tesina

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

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.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

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.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

1.2-Modello standard della materia

Nel modello standard,grazie alla scoperta del bosone di Higgs, il concetto di massa

come proprietà intrinseca non esiste più. La massa proviene dall’energia delle

interazioni che si verificano tra i campi quantici ed elementari e le loro particelle.

Il bosone fa parte del meccanismo che spiega come si forma la massa di tutte le

particelle dell’universo e senza interazioni con il campo di Higgs , la materia sarebbe

effimera,impalpabile come la luce stessa, e nulla sarebbe.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

2.1- Il lavoro svolto dal CERN: Linac2,PSB,PS,SPS,LHC

Fondamentalmente LHC è un collisore di protoni. Il protone è insieme al neutrone

uno dei costituenti dei nuclei atomici, dunque la sorgente deve essere un nucleo di

un atomo. La scelta ideale è l’idrogeno, atomo formato da un solo protone e un solo

elettrone: quindi all’inizio di tutta la catena di acceleratori che porta all’LHC vi è una

bombola di H sottoforma di idrogeno gassoso.

Si prendono gli atomi di H, si strappa loro l’elettrone

esercitando un forte campo elettrico , si prendono i

protoni rimasti che vengono incanalati all’interno del

circuito di acceleratori. Lo strumento che si occupa

della separazione di protoni ed elettroni si chiama

duoplasmatron.

Come si accelera una particella?

Innanzitutto,sfruttando il fatto che si tratta di una

particella positivamente carica , si applica un campo

elettrico che genera un moto di protoni dal polo

positivo a quello negativo .

E per raggiungere una maggiore accelerazione senza applicare un’esagerata

differenza di potenziale si costruisce un sistema a poli

alternati fatto da una serie di elettrodi cilindrici bucati tra i

quali viene alternata la direzione del campo elettrico.

A mano a mano la velocità

aumenta sempre più .

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

LINAC

Questo principio viene applicato negli acceleratori lineari chiamati (linear

accelerator). Ma più si vuole accelerare una particella,più lungo

deve essere l’acceleratore lineare .

In questo caso risulta molto interessante poter far

passare gli elettroni nello stesso tratto di

acceleratore lineare che diventerebbe un vero e

proprio “circuito”: il sincrotrone che si ispira al

ciclotrone di Lawrence.Tra i primi esempi del

sincrotrone vi furono il Bevatron, costruito in

California del 1950, ed il Cosmotron di New York, nel 1953 ,che contribuirono

entrambi in modo rilevante nella ricerca del bosone.

Su una struttura ad anello dispongo uno o più tratti acceleranti rettilinei (dei piccoli

linac, insomma) e li collego tra di loro con dei tratti che curvino le particelle e le

mantengano in orbita (quasi) circolare, riportandole al punto di partenza tante volte

quante sono necessarie per salire all’energia voluta.

Purtroppo parte dell’energia va

dispersa nei tratti curvilinei,

benché essa sia bassa rispetto a

quella guadagnata nel circuito.

Nel caso di particelle leggere che

nelle curve perdono maggiore

energia si consiglia l’impiego di

tratti acceleranti .

( ( .

G .Balla ,”Velocità + luci”) G Balla , ” Velocità di una motocicletta”)

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

Per portare all’ingresso di LHC i protoni a 450 GeV il CERN usa praticamente tutti gli

acceleratori che hanno caratterizzato la sua storia. Ogni sincrotrone che è stato un

giorno la punta di diamante del laboratorio, oggi invece lavora (principalmente, ma

non necessariamente soltanto) come iniettore per il sincrotrone più moderno che a

suo tempo l’ha rimpiazzato.

Ecco dunque il percorso a tappe dei protoni, dal duoplasmatron fino a LHC:

LINAC2 (classe 1978, 36 m di lunghezza). Dalla bottiglia di idrogeno fino a 50

 MeV: un po’ come il vialetto davanti al garage di casa.

PSB (Proton Syncrotron Booster, 1972, 157 m di circonferenza). Dall’uscita del

 LINAC2 (50 MeV) fino a 1.4 GeV: la strada di quartiere.

PS (Proton Syncrotron, 1959, 628 m di circonferenza). Da 1.4 a 25 GeV: il corso

 di grande scorrimento che vi porta fino in periferia.

SPS (Super Proton Syncrocron, 1976, 7 km di circonferenza; quello con cui

 sono stati scoperti i bosoni W e Z). Da 25 a 450 GeV, fino alle porte di LHC: la

tangenziale.

LHC (Large Hadron Collider, 2008, 27 km). Da 450 GeV fino a 7 (0ppure solo

 3.5) TeV.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

Linac2

PS booster

SPS

Lo scopo finale non è quello di accelerare fasci di protoni ma bensì farli collidere .

LHC ha il compito di far collidere due fasci di protoni di cui uno circola in senso

orario e l’altro in senso antiorario . Affinché i due fasci circolino in senso opposto

servono due campi magnetici distinti e di verso opposto per tenere in traiettoria i

protoni di un fascio e quelli dell’altro .

Ciascun fascio ha il proprio magnete :

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

LHC non è costituito dunque di un anello unico, bensì da due anelli che corrono

paralleli per la maggior parte del percorso, per scambiarsi posizione in quattro

punti.

Quindi i fasci vengono

incrociati per far collidere i

protoni.

Il momento della collisione

è simile all’incontro di una

manciata di sabbia

lanciata contro un’altra

manciata di sabbia: esiste

una certa probabilità che

almeno un granello di una

manciata tocchi uno di

quella dell’altra manciata,

ma la maggior parte dei

granelli passerà

indisturbata a fianco dei

colleghi dell’altro gruppo,

senza degnarli di uno

sguardo.

Per aumentare la probabilità di avere uno scontro tra granelli si può cercare di

schiacciare per bene la sabbia nella mano prima di lanciarla, in modo che le

manciate siano ben raccolte, e poi prendere bene la mira. I macchinisti di LHC fanno

lo stesso, con una procedura che si chiama squeezing: compattano i protoni il più

possibile (tenendo contro che i protoni sono carichi positivamente, e dunque, a

differenza dei granelli di sabbia, tendono a respingersi), e poi allineano

gradualmente i fasci in modo da centrare per bene l’incontro.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

Per la scoperta del bosone di Higgs , si riconosce l’importanza di due esperimenti

che, dopo la costruzione dell’LHC, si dedicarono esclusivamente alla caccia del

bosone: ATLAS e CMS.

ATLAS si costituisce di una successione di cilindri di raggio crescenti disposti intorno

al punto in cui si intersecano i fasci di protoni. Il cilindro più interno rileva le

particelle cariche e ne misura la quantità di moto : è circondato da un solenoide che

devia la traiettoria delle particelle. Esso non rivela i neutrini ma cattura tutte le altre

particelle.

È lungo 48 m con 25 m di altezza, circa la metà della cattedrale di Notre-Dame de

Paris e pesa come la Tour Eiffel.

CMS ha un disegno differente ma simili capacità rispetto ad Atlas. È costituito di un

unico magnete. Ha lunghezza di 21m,diametro di 15m ed altezza di 15m.

Infine ricordiamo anche quello che può essere considerato il “padre” dell’LHC: LEP .

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

In pratica ci troviamo davanti ad un collisore di elettroni e positroni lungo 27 km e

che si trovava nel sottosuolo tra Francia e Svizzera e che accelerò le particelle fino a

raggiungere il 99,999999% della velocità della luce .

Il principale compito del LEP fu quello di produrre le particelle W e Z in modo tale

che i fisici potessero analizzarle nel dettaglio.

Il CERN si era impegnato a operare con il LEP fino al 2000 e dopo quella data la

macchina sarebbe stata smantellata e sostituita con il ben più potente LHC

interrompendo la ricerca del bosone per 5 anni.

“Una docile fibra dell’universo”?:il bosone di Higgs Francesca Rossi V B

2.2- Il bosone e campo di Higgs

Come detto in precedenza, il LEP non fu mai in grado di rivelare la tanto cercata

“particella di Dio”, anche se sarebbe più corretto chiamarla “La particella

maledetta”, perché estremamente difficile da scovare. Infatti la particella era stata

definita da Leon Lederman ,impegnato in un’opera di divulgazione scientifica sul

bosone di Higgs, “The Goddamned Particle”, ma l’editore del libro optò invece per

un titolo più accattivante : “The God Particle”. Il soprannome è tutt’ora additato

come uno dei più,se non il più, deriso nella storia della fisica. Gli scienziati che vi

lavorano gridano a gran voce quanto sia profondamente orribile e lo stesso Peter

Higgs ne è imbarazzato .

Dopo lo smantellamento del LEP i lavori di inizio dell’LHC incombevano ma si

necessitava di un urgente finanziamento economico per realizzare il mastodontico

collisore .

Fu così che nel 1993 William Waldegrave , ministro della Ricerca Scientifica inglese,

promise di elargire un finanziamento solamente in cambio di una semplice

spiegazione di cosa fossero bosone e campo di Higgs .

La sfida fu accolta da David Miller, professore di fisica delle particelle allo University

College di Londra , che fornì la seguente spiegazione :

“Immaginiamo un cocktail party al quale partecipano molti funzionari di

partito, sparsi uniformemente nella sala, ciascuno intento a conversare col

vicino. Entra Margareth Thatcher e attraversa la stanza. Tutti coloro che si

trovano nelle vicinanze ne sono attratti e le si affollano attorno. Via via che si

sposta, il famoso ex primo ministro attrae le persone a cui si avvicina, mentre

quelle che ha lasciato dietro di sé si allontanano e tornano a sparpagliarsi. A

causa del gruppo di persone che ha intorno in ogni momento , l’ex primo