Dietro le quinte della scoperta del bosone di Higgs

Di Stefano Mersi

Chi scrive lavora (con altre tremila persone¹) su CMS, un esperimento del CERN che insieme ad ATLAS ha appena annunciato la scoperta del bosone Higgs. O per essere veramente pignoli, di qualcosa-che-gli-somiglia-tanto-tanto-ma-tra-qualche-mese-ne-sapremo-di-più.

Se penso all'importanza storica di questo risultato mi vengono i brividi.

A qualche giorno di distanza dall'annuncio ufficiale me la sono sentita di fare due considerazioni in pubblico, ma ci tengo a precisare che quanto segue rappresenta solo il mio personale punto di vista e non può essere attribuito all'organizzazione per cui lavoro, il CERN.

Cercherò di fare una breve introduzione, ma vi segnalo anche un ottimo pezzo uscito sul manifesto, rara perla nel panorama del giornalismo scientifico italiano, a firma di Tommaso Dorigo. E in calce un elenco di blog a tema.

A proposito: proprio mentre scrivo arriva la notizia che nel decreto sulla spending review ci sarebbe un taglio pesante all'INFN, che ha dato un contributo importante a questa ricerca. Con una mano ci si congratula e con l'altra si rapina!

Perché siamo di fronte ad una scoperta storica

La materia che conosciamo è costituita da particelle elementari, tenute insieme da solo 4 campi di forze. Una è la gravità, descritta dalla relatività generale di Einstein e sta "per conto suo" (per il momento).

Le altre tre forze sono descritte dalla meccanica quantistica: la forza elettromagnetica, forza forte e forza debole. Queste sono descritte in modo eccellente dal Modello Standard, che descrive l'azione di questi campi (o forze) come lo "scambio" di particelle dette bosoni.

• Per esempio: quando accendete il vostro cellulare, questo manda dei bosoni γ (o fotoni) all'antenna ricevente e viceversa e così comunicano.
• Per esempio: il sole emette dei bosoni γ (fotoni, forza elettromagnetica) che arrivano sulla terra e ci scaldano.
• Per esempio: all'interno del sole sotto certe condizioni dei quark up emettono un bosone W (forza debole) trasformandosi in quark down. Senza questo processo non potrebbero avvenire le reazioni nucleari che tengono "acceso" il sole.
• Per esempio: gli stessi nuclei degli atomi non starebbero insieme se i quark che li compongono non fossero tenuti insieme dai bosoni g (gluoni, forza forte).

Fino a ieri conoscevamo solo 4 bosoni nel mondo delle particelle elementari: γ, W, Z, g.

Oggi ne abbiamo scoperto uno nuovo. E se il Modello Standard è corretto è anche l'ultimo che mancava all'appello!

Che cos'è il bosone di Higgs

Il meccanismo di Higgs (che prevede l'esistenza dell'omonimo bosone) è necessario nel Modello Standard per inserire nelle equazioni la massa delle particelle. "E allora?" direte. Un attimo di pazienza.

Se prendete le equazioni della meccanica quantistica e provate a descrivere il mondo delle particelle ottenete come risultato che tutte le particelle hanno una massa pari a zero. Il che è un problema, perché tutte le particelle note (a parte il fotone) hanno una massa. E se così non fosse l'universo sarebbe molto diverso da come lo conosciamo. In particolare: niente atomi, niente chimica, niente vita. Noioso come Ginevra il sabato sera a Febbraio.

Se furbescamente provate a inserire la massa nelle equazioni "a forza" (quando il vostro professore si gira aggiungete +m) è quasi peggio: si ottengono risultati insensati.

L'elegante soluzione proposta da Higgs e colleghi prevede l'esistenza di un nuovo campo con il quale le altre particelle interagiscono. Se il campo ha le proprietà opportune, l'interazione stessa compare nelle vostre equazioni come una massa. Le particelle che interagiscono di più con questo campo "acquistano" una massa maggiore.

In questo modo il problema di inserire la massa nel Modello Standard sparisce. Anzi si potrebbe dire che alla luce del meccanismo di Higgs la massa delle particelle non è che una proprietà apparente: avremmo trovato una spiegazione² della massa. La teoria è così efficace che è stata subito utilizzata.

• Piccola conseguenza: se questo campo esiste allora esiste anche il bosone corrispondente. Quindi per provare questa teoria bisogna scoprire il bosone di Higgs.
• Piccolo problema: la teoria non prevede quanto il bosone di Higgs interagisca con il campo di Higgs (ossia la sua auto-interazione), quindi non ci dice qual'è la sua massa. E se non conosci la massa di una particella non sai nemmeno che macchina serve per studiarla!

Cercare il bosone di Higgs

Qui devo usare (un po' a sproposito) una equazione sola, ma la conoscete già: E=mc². Che vuol dire che facendo "sparire" una quantità di massa m si ottiene una energia proporzionale E (bum³!). O viceversa: per creare una particella di massa m bisogna spendere una energia E.

Per trovare nuove particelle in generale il metodo è quasi sempre lo stesso. Si accelerano delle particelle ad alte energie (per esempio protoni), poi si fanno scontrare. Nelle collisioni ogni tanto queste perdono una parte della loro energia che si trasforma in nuove particelle.

Da piccolo rimasi affascinato da questo paragone: è come se facendo scontrare due fragole poteste produrre banane, limoni, ...

Questo è il mestiere degli acceleratori di particelle. Al CERN oggi abbiamo LHC, che è l'acceleratore più potente mai costruito, sia come energia raggiunta dai protoni che come quantità di collisioni al secondo che riesce a produrre. Un vero gioiello!

Le particelle così create sono in genere instabili (quelle stabili si trovano in natura è non c'è bisogno di torturare i protoni per ottenerle) e quindi decadono: spariscono lasciando al loro posto altre particelle più stabili. Se tutto questo avviene dentro ad un rivelatore di particelle come CMS o ATLAS, potete "fotografare" i prodotti di decadimento e risalire all'identità delle particelle che li hanno generati.

Semplice: perché ci avete messo tanto?

La difficoltà di identificare il bosone di Higgs è dovuta a tre fatti:

1. La sua massa è molto elevata: circa 125 o 126 GeV (Yess! Ora lo sappiamo!). Di più pesante c'è solo il quark top (173 GeV), scoperto al FermiLab nel 1995, mentre un protone "pesa" 0.9 GeV;
2. La probabilità di creare un bosone di Higgs in uno scontro protone-protone è molto bassa: una su 3.5 miliardi a LHC. Ed è ancora minore se si usano acceleratori di energia più bassa;
3. I suoi prodotti di decadimento non sono molto "diversi" da quelli di altre particelle note e prodotte copiosamente dalle collisioni tra protoni.

Da qualche mese deboli segnali, ma il rigore è d'obbligo

Già a Dicembre scorso, analizzando i dati raccolti da CMS e ATLAS si era notato qualcosa di strano. Dopo aver fatto scontrare circa 400'000 miliardi di protoni, alcune decine di queste collisioni avevano lasciato una traccia giudicata interessante.

Dato che il numero di eventi interessanti era così basso c'era la possibilità che si trattasse in una fluttuazione statistica. Se giocate a risiko e per prima cosa ottenete un triplo sei, non concludete immediatamente che i dadi sono truccati, no⁴?

La probabilità che i risultati ottenuti fossero una combinazione casuale nel solo CMS era stata calcolata in circa 0.13%. Non abbastanza bassa da dichiarare la scoperta. Nonostante l'enorme pressione e la sensazione di esserci riusciti.

Quante certezze meno probabili ci vengono vendute quotidianamente?

Oggi con più dati a disposizione la stessa probabilità è scesa a 1 su 30 milioni. Come ha detto modestamente il direttore del CERN, Rolph Heuer, "come uomo della strada direi che ci siamo!". (Lo vedete il "bozzo" sul grafico? Questo è uno dei "segnali" del nuovo bosone).

E adesso?

E adesso comincia il bello. Ora che sappiamo come produrre e individuare i bosoni di Higgs possiamo cominciare a studiarne le proprietà. Scoprire se si comportano come previsto dal Modello Standard o se hanno qualche sorpresa in serbo. Misurare, insomma, tutti quei parametri che non sono previsti dalla teoria, poi rimettere tutto dentro le equazioni e guardare da vicino com'è fatto l'universo.

La maggior parte dei fisici si aspetta qualche sorpresina o dal bosone di Higgs o da qualche altra particella ancora da scoprire⁵.

Un impresa scientifica e umana

Ci sono voluti venti anni di lavoro tra l'approvazione del progetto LHC e i risultati che abbiamo visto oggi. Quando si investe sulla ricerca bisogna avere un progetto a lungo termine.

C'è voluto il lavoro di migliaia di persone e la collaborazione di decine di istituti sparsi per tutto il mondo. Progetti di questa portata richiedono la collaborazione internazionale e costruiscono ponti.

Molte persone ci chiedono: a cosa serve tutto questo? Ci sono molte risposte buone: le ricadute pratiche delle tecnologie sviluppate (il www è stato inventato al CERN per dirne una). Oppure il fatto che le imprese che collaborano con i centri di ricerca ottengono un know-how impagabile. Io personalmente ho tre risposte:

1. La frontiera della conoscenza oggi pοtrebbe diventare tecnologia applicata domani. Ci vuole di solito un secolo prima che una scoperta scientifica venga sfruttata per una tecnologia (anche se per il bosone di Higgs non è qui che punterei i miei soldi... ma la stessa cosa veniva detta della relatività proprio un secolo fa e oggi se i vostri GPS non sgarrano malamente è grazie al buon vecchio Einstein);
2. La scienza ha un significato in sé. Capire come è fatto l'universo non ha prezzo (considerate la vostra semenza: fatti non foste a viver come bruti, ma per seguir virtute e canoscenza);
3. L'unico modo di tenere viva la scienza (e quindi di avere innovazione) è di spingere i limiti della ricerca: fare scienza è un mestiere e come tutti i mestieri non si impara sui libri, ma ha un suo apprendistato. Credo che se non si facesse ricerca si interromperebbe inevitabilmente la trasmissione del sapere scientifico e in poche generazioni potremmo tornare ad un moderno medioevo. Questo meriterebbe un discorso a parte ma c'è chi sostiene che sia già successo in passato.

Una nota personale

Sono ormai quasi dieci anni che lavoro a questo esperimento ed ho avuto l'onore di partecipare direttamente alla calibrazione prima e alla presa dati poi di uno dei suoi componenti. E ancora da prima ho partecipato alla costruzione (sono quello col cacciavitino...).

Quando è stato chiaro il significato dei dati che si stavano accumulando ho provato una emozione crescente anche se non ho partecipato personalmente alla analisi dei dati (ma non potevamo far trapelare nulla).

Il giorno prima dell'annuncio ufficiale ancora non sapevo di preciso che cosa avessero in mano i colleghi di ATLAS (è risultato poi un accordo spettacolare fra i dati dei due esperimenti).

Dopo aver tirato tardi in ufficio (alle tre del mattino) prima di andare a casa sono passato davanti all'aula dove sarebbe stato tenuto il seminario storico e ho trovato circa cento persone (tra cui molti summer students) in coda per il seminario delle nove!

Beh, se si fa per l'ultimo iPod o per Star Wars... Il seminario l'ho visto via web dall'ufficio con i colleghi!

Un ultimo commento: è per me un privilegio lavorare in un ambiente veramente aperto e internazionale: tutti i risultati delle ricerche sono pubblicati in modo che siano liberamente accessibili al mondo e le tecnologie sviluppate al CERN sono rese accessibili. Ma non solo.

In posti come questo il mondo sembra molto più piccolo. Durante la guerra in Georgia ho sentito la paura degli amici georgiani per le comunicazioni interrotte, ma nella stanza accanto ho potuto parlare con i colleghi russi.

Quando vedo lavorare insieme colleghi pakistani e indiani come se fosse la cosa più naturale del mondo. Quando penso che lo spokesman del nostro esperimento è americano e gli ultimi studenti arrivati sono iraniani. Quando i summer students israeliani e palestinesi organizzano spontaneamente questo party capisco che c'è qualcosa che va oltre.

Per saperne di più:

Blog in italiano: borborigmi

In inglese: il già citato blog di Dorigo, Not even wrong, (altri su segnalazione)

Twitter: CERN, CMS, ATLAS

Il seminario con l'annuncio ufficiale: consiglio di saltare a 34'30" quando viene reso noto che la significatività del segnale è pari a 5 sigma (ovvero lo standard necessario per dichiarare una scoperta).

Note:

1 : Più o meno: i ricercatori che firmano gli articoli sono circa 2300, più ce ne sono molti altri il cui lavoro è fondamentale. A occhio alla fine saremo tremila.^↩

2 : Nel campo della scienza in effetti non esistono spiegazioni ma solo descrizioni. Solo che alcune sono così chiare, belle ed eleganti che ti fanno dire: "ah, ho capito!". Guarda caso però le descrizioni più belle fanno anche delle previsioni che si avverano. Questo rimarrà per me un mistero. Devo aggiungere che qui si parla della massa delle particelle. La maggior parte della "massa" degli oggetti che ci circonda è dovuta all'energia della interazione forte che tiene insieme i nuclei (secondo la relatività generale di Einstein, infatti, l'energia stessa è "pesante").^↩

3 : Scrivo bum! perché il fattore di proporzionalità è la velocità della luce al quadrato: enorme. A buon intenditor...^↩

4 : Io sì, ma sono paranoico. Lo scrivo per la CIA che legge le mie mail: sono paranoico, quindi so che mi spiate!^↩

5 : Ma c'è la anche possibilità che questa sia l'ultima particella fondamentale scoperta in laboratorio e che per fare altre scoperte dovremo alzare gli occhi al cielo. Letteralmente.^↩

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