La Rivelazione del Bosone di Higgs
L’INFN è fortemente coinvolto in CMS, circa 250 fisici e ingegneri provenienti da 14 Sezioni e 2 Laboratori Nazionali lavorano all’esperimento
Il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs è un bosone scalare, elementare, massivo associato al campo di Higgs, che svolge un ruolo fondamentale nel Modello standard conferendo la massa alle particelle elementari tramite il fenomeno della rottura spontanea di simmetria. Inoltre il bosone di Higgs garantisce la coerenza della teoria, che senza di esso portava a un calcolo di probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.
Fu teorizzato nel 1964 e rilevato per la prima volta nel 2012 negli esperimenti ATLAS e CMS, condotti presso il Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle del CERN. Nel 2013 Peter Higgs e François Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la fisica per la sua scoperta.
Il bosone di Higgs è dotato di massa propria, il cui valore non è previsto dal Modello standard. Misure indirette dalle determinazioni dei parametri elettrodeboli davano indicazioni che i valori più probabili fossero comunque relativamente bassi, in un intervallo accessibile al Large Hadron Collider presso il CERN. Molti modelli supersimmetrici predicevano inoltre che il valore più basso possibile della massa del bosone di Higgs fosse intorno a 120 GeV o meno, mentre la teoria dà un limite massimo di circa 200 GeV (≈3,5×10−25 kg).
Come detto, ci si aspettava che LHC, che dopo una lunga pausa aveva iniziato a raccogliere dati dall’autunno 2009, fosse in grado di confermare l’esistenza di tale bosone. Il 13 dicembre 2011, in un seminario presso il CERN, veniva illustrata una serie di dati degli esperimenti ATLAS e CMS, coordinati dai fisici Fabiola Gianotti e Guido Tonelli, che individuavano il bosone di Higgs in un intervallo di energia fra i 124 e 126 GeV con una probabilità prossima al 99%. Benché tale valore fosse sicuramente notevole, la comunità della fisica delle particelle richiede che, prima di poter annunciare ufficialmente una scoperta, sia raggiunta una probabilità di errore dovuto a casuali fluttuazioni quantistiche (in gergo valore p) non superiore allo 0,00006% (un valore di 5 in termini di deviazioni standard, indicate anche con la lettera greca sigma).
Il 5 aprile 2012, nell’anello che corre con i suoi 27 km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l’energia massima mai toccata di 8 000 miliardi di elettronvolt (8 TeV). Gli ulteriori dati acquisiti permettevano di raggiungere la precisione richiesta e il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell’auditorium del CERN, presente Peter Higgs, i portavoce dei due esperimenti, Fabiola Gianotti per l’esperimento ATLAS e Joseph Incandela per l’esperimento CMS, davano l’annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, con una massa intorno ai 126,5 GeV/c2 per ATLAS[20] e ai 125,3 GeV/c2 per CMS.
La scoperta veniva ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle caratteristiche della particella sono tuttavia ancora incompleti. L’8 ottobre 2013 Peter Higgs e François Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la fisica per la scoperta del meccanismo di Higgs.
Il bosone di Higgs è il quanto di uno dei componenti di un campo scalare complesso che è il campo di Higgs. Come bosone scalare ha spin zero, è la sua stessa antiparticella ed è pari sotto un’operazione di simmetria CP.
Secondo la teoria cosmologica prevalente, il campo di Higgs permea tutto lo spazio vuoto dell’universo in qualsiasi istante. Nei momenti iniziali (in termini del miliardesimo di secondo) dopo il Big Bang tale campo avrebbe subìto un processo di condensazione tachionica, acquisendo un valore di aspettazione del vuoto non-zero che assumerebbe un ruolo fondamentale, innescando un “meccanismo” che dà massa ai bosoni vettori W e Z e allo stesso bosone di Higgs (mentre il fotone rimane senza massa) e provocando di conseguenza la rottura spontanea della simmetria di gauge elettrodebole. Il meccanismo di Higgs così concepito è il più semplice in grado di dare massa ai bosoni di gauge, garantendo la compatibilità con le teorie di gauge.
Entrando più in dettaglio, il campo di Higgs consiste in realtà di due campi complessi: doppietto di isospin debole (gruppo di simmetria SU(2)L) e singoletto di ipercarica debole (gruppo U(1)Y) con valore di ipercarica pari a +1; ne discende che il campo con terza componente di isospin debole +½ ha carica elettrica +1, mentre l’altro (isospin -½) è neutro. Assumendo, come già accennato, che la componente reale del campo neutro, la cui particella corrisponde al bosone di Higgs, abbia un valore di aspettazione sul vuoto non nullo e generi di conseguenza una rottura di simmetria, i restanti tre campi reali (due dal campo carico e uno formato dalla parte immaginaria del campo neutro) sarebbero tre bosoni di Goldstone, per definizione privi di massa e scalari (cioè a 1 grado di libertà). Ma dato che, per il meccanismo di Higgs, i campi di gauge sono accoppiati ai campi di Higgs tramite le derivate covarianti, i bosoni di Goldstone divengono le componenti longitudinali dei bosoni W+, W− e Z0, i quali, passando perciò dai 2 ai 3 gradi di libertà di polarizzazione, acquistano massa.
L'INFN nell'esperimento CMS
L’INFN è fortemente coinvolto in CMS, circa 250 fisici e ingegneri provenienti da 14 Sezioni e 2 Laboratori Nazionali lavorano all’esperimento. In particolare, frazioni significative del sistema di rivelazione per muoni, del magnete superconduttore e del calorimetro elettromagnetico e del tracciatore centrale a strisce di silicio sono state realizzate in Italia. Una ampia ed esaustiva descrizione dell’esperimento è riportata nel menù denominato “L’esperimento CMS”.
Approfondimenti
Cos'è LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è un acceleratore di particelle, con una circonferenza di 27 Km
Organigramma
L’esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni internazionali nella storia scientifica
Oltre 250 fisici e ingegneri sono impegnati a lavorare all’esperimento ed hanno realizzato significative frazioni del sistema
- Management
- Finance
- Executive
Team Italiani e Worldwide
Il progetto si estende in oltre 54 paesi e regioni in tutto il globo, coinvolgendo 241 istituti, più di 3000 fisici, oltre 1000 ingegneri e circa 270 tecnici che collaborano quotidianamente per svelare i segreti dell'universo.
Archivi e Storia di CMS
Dal fuoco all'elettricità, le scoperte hanno plasmato la civiltà umana: la ricerca fondamentale è la forza trainante per migliorare le nostre vite. Nel 2012, CMS ha annunciato la sua prima grande scoperta, il bosone di Higgs, un tipo di particella mai vista prima.
Criteri di Selezione
La CMS Collaboration è un'organizzazione di istituzioni accademiche che hanno collaborato per costruire e far funzionare il rivelatore CMS. La procedura di accesso all'esperimento prevede in prima istanza l'esprimere interesse al CMS Spokeperson.
Cms in Italia
I Gruppi di Lavoro
L’esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni scientifiche internazionali della storia, che coinvolge 5000 tra fisici delle particelle, ingegneri, tecnici, studenti e personale di supporto di 200 istituti di cui 16 in Italia.
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