Bosone di Higgs - Tesina

Il bosone di Higgs e quelle scoperte che cambiano la vita

Indice

Il bosone di Higgs e quelle scoperte che cambiano la vita

p. 5 Introduzione: scoperte che cambiano la vita

p. 7 Fisica: Il bosone di Higgs

p. 10 Latino: L’atomismo di Lucrezio

p. 14 Italiano: Le cosmicomiche Tutto in un punto

p. 17 Scienze della Terra: Il modello dell’Universo inflazionario

p. 20 Filosofia: Thomas Samuel Kuhn, paradigmi e rivoluzioni scientifiche

p. 23 Inglese: Frankenstein, the consequences of scientific revolutions

p. 26 Bibliografia e Sitografia

Il bosone di Higgs e quelle scoperte che cambiano la vita

“Gli usi pratici? Imprevedibili. Sarà un cambio di paradigma.”

“Un giorno del 1850 William Gladstone, cancelliere dello Scacchiere della regina Vittoria, in visita al laboratorio di Michael Faraday, l’immenso pioniere dell’elettricità e del magnetismo, non poté resistere, come spesso capita ai ministri delle Finanze di ogni tempo, a porre la fatidica domanda: “Interessante, ma qual è il suo uso pratico?”.

Faraday gli rispose con esemplare onestà e preveggenza: “Al momento non saprei, sir, ma è assai probabile che in futuro ci metterete una tassa sopra!”. Sarebbe impensabile oggi negare l’impatto decisivo che le grandi rivoluzioni scientifiche occorse tra la fine dell’Ottocento e gli inizi del Novecento hanno prodotto sulla nostra attuale qualità della vita, eppure, forse proprio perché siamo circondati dalle straordinarie applicazioni tecnologiche di queste rivoluzioni, la tendenza a considerare la ricerca di base come un lusso si riaffaccia ciclicamente nelle convinzioni (e di conseguenza nelle azioni) dei policy makers.

Rolf-Dieter Heuer, 1948

Ma ogni tecnologia ha un periodo di crescita temporalmente limitato, che la porta inevitabilmente a una saturazione, condannando dapprima allo stallo e poi al declino una società che non ricerchi costantemente i cambiamenti di paradigma e l’innovazione. Per dirla in maniera semplice: se siete capaci a fabbricare candele, farete candele sempre più sofisticate, ma non sarete mai in grado di concepire una lampadina elettrica. Tra la candela e la lampadina c’è un cambiamento di paradigma, nel caso specifico la teoria dell’elettromagnetismo.

Questa costante volontà di ampliare la comprensione delle leggi della natura è la ragion d’essere del CERN di Ginevra, il più grande laboratorio mondiale di fisica fondamentale (…).

Nato nel 1954, ospita una comunità di più di 14 mila fisici, ingegneri e tecnici, che costituiscono uno straordinario ecosistema in cui ricerca di base, tecnologia e formazione concorrono in maniera inscindibile alla realizzazione di questo scopo primario.

Il 2012 è stato un anno eccezionale: il 4 luglio, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno annunciato la scoperta di una particella le cui caratteristiche erano compatibili con il bosone di Higgs, che per più di quaranta anni è stato una sorta di Sacro Graal per la fisica delle interazioni fondamentali. Quello che rende questa particella così speciale è il fatto che essa è la prova regina dell’esistenza del meccanismo che dà origine alla massa di tutte le particelle elementari, un meccanismo che si è messo all’opera un centesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang e che ha reso possibile la formazione dell’universo e in ultima istanza di noi che lo osserviamo.

Tornando alla domanda di Gladstone: ci cambierà la vita il bosone di Higgs? Sì e no. Anche se non possiamo al momento pensare a nessuna sua applicazione pratica, la storia ci ha insegnato che le grandi scoperte hanno sempre generato, dopo qualche tempo e in maniera del tutto imprevedibile, fenomenali cambiamenti nella nostra società (…).

The globe of science and development, il monumento che celebra lo sviluppo sostenibile, presso il CERN di Ginevra

E anche senza aspettare tempi lunghi, l’imprescindibile sinergia tra scienza e tecnologia, così necessaria alla ricerca di base, è un motore costante dell’innovazione e produce risultati immediatamente vantaggiosi per la società. L’esempio più clamoroso di ciò è l’invenzione al CERN nel 1989 del Web, che oggi genera il 15% dell’economia mondiale e che ha cambiato in maniera sostanziale il nostro modo di vivere (…).

L’elenco delle storie di successo potrebbe continuare a lungo, ma quello che ci preme di più è ribadire che, specialmente nei momenti di crisi economica, è necessario avere il coraggio e la lucidità di investire in educazione, ricerca e innovazione. Solo questo è lo strumento più efficace per superare in fretta e stabilmente la crisi e, nel lungo termine, è la maniera migliore per sperare in un futuro sostenibile: le scoperte della scienza hanno da sempre scandito e indirizzato la storia dei popoli e non vi è alcun ragionevole motivo per cui questa stretta dipendenza possa oggi essere messa in discussione.”

Il bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è la pietra angolare del modello standard, la descrizione teorica del mondo subatomico. L’esistenza di questa particella è stata ipotizzata nel 1964 dal fisico britannico Peter Ware Higgs (1929-) dell’Università di Edimburgo, come risultato di un sottile meccanismo che conferisce la massa alle particelle elementari.

Un’immagine di Peter Higgs

Il Modello Standard

Il Modello Standard della fisica subatomica è la teoria che descrive il comportamento delle forze fondamentali conosciute (forza debole, forza elettromagnetica e forza forte) e di tutte le particelle elementari ad esse collegate. Questo modello è stato costruito negli anni ’70 e confermato poi negli anni successivi dalla sperimentazione del CERN.

Il bosone

Il meccanismo richiede la presenza di un campo scalare (l’insieme dei valori numerici che una grandezza fisica viene ad assumere punto per punto) distribuito per tutto l’universo, interagendo con il quale, ciascuna in modo diverso, le particelle acquisirebbero la massa che hanno. Il fatto che alcune particelle abbiano massa maggiore di altre dipende dal modo specifico in cui ciascuna di esse interagisce con il campo. La maggiore o minore “resistenza” che il campo di Higgs oppone alle particelle, riducendone la velocità, è ciò che conferisce loro la massa che hanno.

Dal punto di vista sperimentale, infatti, il fatto che una particella si muova a una velocità minore rispetto alla velocità della luce implica che essa abbia una massa. Il bosone di Higgs è la manifestazione fisica di questo campo (il campo di Higgs) che permea ogni angolo del cosmo e dota le particelle elementari delle rispettive masse.

Questo bosone non ha carica elettrica e ha una massa, infatti interagisce anche con se stesso, ed è instabile, potendo decadere in vari modi. Pare che questo bosone abbia una massa di 125-126 GeV/c².

La ricerca

La conferma dell’esistenza del bosone di Higgs è stata uno dei principali campi di indagine negli ultimi anni al CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) di Ginevra, all’interno dell’enorme acceleratore di particelle LHC. Anche se LHC è un gigantesco collisore che alimenta quattro rilevatori, solo i due più grandi, ATLAS e CMS, hanno il compito di trovare il bosone di Higgs, la particella che si cerca da tempo e che completerebbe il modello standard della fisica delle particelle.

Ciascuno degli enormi rivelatori registra i frammenti subatomici emessi incessantemente dalle collisioni che avvengono al suo interno; una dettagliata analisi individuale di queste particelle può rivelare l’elusivo bosone di Higgs. Gli esperimenti ATLAS e CMS non possono osservare direttamente un bosone di Higgs: decadrebbe troppo rapidamente in altre particelle. Essi cercano prove del fatto che sia stato generato al loro interno.

A seconda della massa del bosone di Higgs esso può decadere in particelle più leggere in diversi modi. Esso infatti è estremamente instabile e decade rapidamente in numerosi processi diversi. I rilevatori ATLAS e CMS sono stati progettati per individuare gli occasionali eventi che potrebbero arrivare dal decadimento del bosone di Higgs e per “buttare via” quello che resta.

LHC ha cominciato a raccogliere una gran quantità di dati nel corso del 2011, a sufficienza per cogliere un primo indizio di segnali dell’esistenza del bosone di Higgs. Sia ATLAS sia CMS avevano osservato varie decine di eventi sopra il fondo atteso in cui due fotoni emergevano con un’energia congiunta vicina a 125 gigaelettronvolt (GeV, l’unità di misura standard di massa ed energia della fisica delle particelle). Nessuno dei segnali osservati nel 2011 tuttavia era “forte” a sufficienza per permettere di parlare di “scoperta”.

La scoperta

Il direttore del CERN, Rolf-Dieter Heuer (1948-), poté osservare per primo i risultati dei vari esperimenti il 22 giugno 2012. Heuer decise che le prove dell’esistenza di una particella compatibile con il bosone di Higgs erano abbastanza solide da poterle rendere pubbliche.

Decise di tenere un seminario speciale il 4 luglio al CERN, seguito da una conferenza stampa. Peter Higgs entrando in sala fu accolto da un caloroso e prolungato applauso. CMS e ATLAS conclusero indipendentemente che la probabilità che l’apparizione di picchi di dati intorno a 125 e 126 GeV fosse accidentale era inferiore a una su tre milioni.

La sala stampa del CERN affollata in occasione dell’annuncio del 4 luglio

Il portavoce di CMS concluse dichiarando che era stata osservata una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs. Quando Peter Higgs in lacrime dopo l’annuncio della scoperta del bosone la telecamera inquadrò Higgs, si vide che si stava asciugando gli occhi con un fazzoletto.

Le conseguenze

Attualmente l’attenzione sperimentale e teorica è concentrata nel capire se la nuova particella sia veramente il bosone di Higgs previsto dal modello standard o no. La scoperta epocale di questa particella pone fine a una lunga era della fisica delle particelle e dà l’inizio a una nuova e avvincente fase di studio dei fenomeni.

Sono molte le domande che potrebbero trovare una risposta nelle nuove ricerche su questa particella. Ad esempio, il bosone di Higgs ha un ruolo nel meccanismo dell’inflazione che è considerato la forza trainante delle origini dell’universo subito dopo il Big Bang?

L’atomismo di Lucrezio

I pochi dati sulla vita di Tito Lucrezio Caro derivano da una notizia riportata dalla Cronaca dello scrittore cristiano Girolamo (IV secolo d.C.): nel 96 o 94 a.C. nasce il poeta Tito Lucrezio, in luogo ancora ignoto, si suicidò nel quarantaquattresimo anno di età. La storia del suicidio sembra essere stata inventata dai cristiani per screditare la sua concezione materialistica.

De rerum natura

Il Il De rerum natura è l’unica opera di Lucrezio, un poema epico-didascalico la cui data di composizione è sconosciuta. Probabilmente fu pubblicato postumo grazie a Cicerone.