Probabilmente pochi sanno esattamente che cos'è, ma tutti sanno che c'è: è il bosone di Higgs, la famigerata particella di Dio, teorizzato nel 1964 da Peter Higgs (Nobel per la fisica 2013 proprio per il bosone), rilevato per la prima volta nel 2012 con gli esperimenti condotti all’LHC (il Large Hadron Collider) del Cern. Tutti sanno che c'è, proprio grazie all'eco che ebbe per giorni su giornali, tv, siti web, twitter eccetera.
Adesso c'è una novità: quella particella potrebbe in realtà essere costituita da un insieme di qualche cos'altro (particelle?) tenuto insieme da una forza di cui al momento sappiamo poco o nulla.
Che cos'è un bosone? I bosoni sono una classe di particelle. Tutte le particelle responsabili delle forze sono dei bosoni: i gluoni, responsabili della forza nucleare forte, i bosoni W e Z, responsabili della forza nucleare debole, il fotone, legato alla radiazione elettromagnetica, il gravitone (se esiste, dovrebbe essere responsabile della trasmissione della forza di gravità nei sistemi di gravità quantistica), l'Higgs, responsabile per la massa (perciò chiamato dai più anche "particella di Dio") [fonte: Link2Universe].
Fermioni e Scalari. A sostenere questa ipotesi sono quattro fisici teorici italiani: Elena Vigiani (dip. di fisica dell’università di Pisa e dell’Infn), Alessandro Strumia (Cern), Francesco Sannino (University of Southern Denmark) e Andrea Tesi (Enrico Fermi Institute di Chicago): quattro giovani scienziati che lavorano in luoghi diversi del pianeta, ma che insieme sono giunti a un unico risultato.
L’ipotesi che il bosone di Higgs non sia un’unica particella, ma il frutto dell'unione di più particelle non è del tutto nuova, ma questa ricerca si discosta dalle precedenti per il tipo di particelle che vengono considerate e per i risultati.
Secondo i quattro ricercatori le particelle che si uniscono a formare il bosone di Higgs sono fermioni (una famiglia di particelle che comprende quark, neutrini ed elettroni) e scalari (particelle di massa nulla: sarebbero pura energia cinetica).
L'LHC non basta. Nelle ipotesi precedenti, in relazione alla natura dell'Higgs, le scalari non sono mai stete considerate: se esistono, ed è da dimostrare, sarebbe probabilmente possibile spiegare la massa di tutte le particelle fondamentali che si conoscono (spalancando le porte a una valanga di nuove domande...).
In pratica, al momento è come essere tornati indietro, al 1964, quando l'ipotesi di Higgs (e di un altro pool di fisici, rimasti relativamente in ombra perché solo il lavoro di Peter Higgs citava la possibile esistenza di un nuovo bosone) aveva bisogno di una prova sperimentale.
L'LHC fu costruito proprio per quell'esperimento.
Per la caccia alle scalari è necessario un acceleratore più potente dell'LHC, ma se dovessero essere scoperte, affermano gli scienziati, si potrebbe dare una soluzione a problemi cosmologici che oggi appaiono fuori dalla nostra portata, per esempio sulla materia oscura o sulla scomparsa dell'antimateria dal nostro Universo.
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Come si formano gli arcobaleni? Gli archi più colorati del cielo si formano grazie alla rifrazione della luce solare da parte di minuscole goccioline d'acqua sospese in atmosfera (per esempio sopra una cascata, o dopo un temporale), che si comportano da veri e propri "prismi", scomponendo la luce nelle sue varie lunghezze d'onda.
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Cosa dice la teoria della relatività? Prima di Einstein, spazio e tempo erano considerate grandezze fisse e inalterate, ma il fisico dimostrò che questa visione delle cose è illusoria. Lo spazio si può contrarre, può espandersi o curvarsi, e il tempo può trascorrere più o meno velocemente, se un oggetto è soggetto a un forte campo gravitazionale o si muove molto velocemente. Spazio e tempo sono un'unica entità che può essere distorta da gravità e accelerazione. Per saperne di più
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Perché le bolle di sapone sono rotonde? «La forma sferica delle bolle risulta dal fatto che la pressione esercitata dai gas all'interno e all'esterno della bolla è "isotropa" (cioè indipendente dalla direzione) e la sfera è, per l'appunto, isotropa» spiega Stefano Baroni, Professore di Fisica alla SISSA di Trieste. «Stesso discorso vale per un palloncino gonfiabile (anche se in questo caso, la non omogeneità della gomma di cui è costituito determina una non-isotropia della forma risultante)».
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Come si formano le nuvole? Gli ammassi di gocce d'acqua e cristalli di ghiaccio si creano quando l'aria calda e umida, salendo, incontra temperature più fredde che costringono il vapore acqueo a condensare. Se non fosse per il ciclo idrogeologico di cui le nubi fanno parte, probabilmente non esisterebbe la vita sul nostro pianeta.
Quello che forse non sapevi. La classica nube dalla forma "a cavolfiore" - pesa circa 500 mila chili. Più o meno quanto 100 elefanti africani maschi.
Perché l'acqua evapora anche a temperatura ambiente?
«Un liquido in un sistema aperto evapora completamente perché una volta che una molecola abbandona la sua superficie a causa di una "fluttuazione termica", è estremente improbabile che vi faccia ritorno» spiega Baroni.
«Un bicchiere d'acqua lasciato in una stanza evapora completamente perché la pressione parziale del vapore acqueo nella stanza è trascurabile, ed è quindi estremamente improbabile che una molecola d'acqua in fase gassosa "torni" nel bicchiere da cui era partita. Lo stesso bicchiere racchiuso dentro una pentola a pressione non evaporerà (completamente) perché a causa di una pressione parziale di vapor acqueo non trascurabile, il numero di molecole che abbandonano il bicchiere in un dato tempo è uguale a quello di quelle che vi fanno ritorno».
Quello che forse non sapevi. Un bicchier d'acqua sulla Luna, evaporerebbe completamente malgrado l'assenza di atmosfera.
Foto: © Marcin Chylinski
Il bosone di Higgs.
La caccia al bosone di Higgs non è ancora finita. L’esistenza del bosone - ultima tessera del grande mosaico del Modello Standard che spiega le particelle fondamentali e le forze che le legano - è stata provata sperimentalmente il 4 luglio 2012 proprio grazie agli esperimenti ATLAS e CMS condotti all’interno di Lhc.
Gli scienziati hanno però ancora molte domande sulle origini della materia: contano di trovare parte delle risposte nei nuovi scontri tra particelle che, all'interno dell’acceleratore, avverranno a livelli di energia ancora più alti rispetto a quelli del 2012. Più energia significa maggior probabilità di “produrre” bosoni di Higgs e di osservarne la brevissima esistenza.
Particelle esotiche. Alcune teorie prevedono l’esistenza di particelle esotiche del tutto nuove, impossibili da identificare e osservare perché incapaci di interagire con le forze elettromagnetiche.
Ma se queste particelle hanno una massa, devono in qualche modo interagire con le forze associate al bosone di Higgs, che diventa così il punto di contatto tra il Modello Standard e una nuova fisica tutta da scoprire.
La materia oscura. La materia oscura riempie ogni angolo dell’Universo: non la vediamo, ma possiamo misurarne gli effetti gravitazionali. Ma che cos’è? Una delle teorie è che sia composta da particelle supersimmetriche speculari rispetto a quelle previste dal Modello Standard.
I dati degli scontri ad alta energia che avverranno nei prossimi anni all'interno di Lhc permetteranno agli astrofisici di indagare più a fondo in questo mistero.
La Supersimmetria.
Il Modello Standard ha funzionato alla perfezione nel prevedere a livello teorico ciò che la fisica sperimentale ha potuto osservare sui blocchi che costituiscono la materia. Tuttavia, la teoria è ancora incompleta.
La Supersimmetria è un’estensione del Modello Standard che ha come obiettivo quello di colmare, almeno in parte, questo vuoto. Lo fa assumendo che per ogni particella del Modello Standard esiste una particella partner che definisce a priori la massa del bosone di Higgs. Se la teoria della Supersimmetria è corretta, gli scontri ad altissima energia che avverranno all'interno del “nuovo” Lhc dovrebbero far comparire queste particelle supersimmetriche.
Nuove dimensioni.
Una delle domande alle quali gli scienziati faticano a trovare risposta è “Perchè la gravità è così tanto debole rispetto alle altre forze fondamentali?”. Una delle ipotesi è che i suoi effetti si perdano, almeno in parte, in un’altra dimensione.
Fantascienza? Mica tanto: i ricercatori del CERN sono determinati a verificare sperimentalmente l’esistenza di questa nuova dimensione ricercando negli scontri all'interno dei 4 rilevatori di Lhc particelle analoghe a quelle del Modello Standard ma più pesanti.
Antimateria. Per ogni particella di materia esiste una corrispondente antiparticella che ha esattamente le stesse proprietà ma carica opposta. Per esempio esiste l’antielettrone, o positrone, che ha le stesse caratteristiche dell’elettrone ma carica positiva.
Quando queste due particelle entrano in contatto, si annichiliscono in un lampo di energia.
Secondo la teoria, il Big Bang ha creato una quantità uguale di materia e antimateria. Dove è finita quest’ultima?
I nuovi scontri ad altissima energia che avverranno all’interno dell’ LHC consentiranno agli astrofisici di produrre nuova antimateria per il loro programma di ricerca: l’obiettivo è quello di studiarne le proprietà per verificare se e quanto differiscono rispetto a quelle della materia.
Il plasma quark - gluoni.
Nei primissimi milionesimi di secondo dopo il Big Bang l’Universo era formato da un brodo densissimo di particelle elementari - quark e gluoni - che si muovevano alla velocità della luce, uniti tra loro da legami deboli che si rompevano e si riformavano in continuazione.
Le collisioni ad alta energia che verranno generate all’interno dell’ LHC permetteranno di ricreare qualcosa di molto simile a questo plasma di quark e gluoni così da dar modo agli astrofisici di osservare da vicino cosa è successo nei primissimi attimi di vita dell’ Universo.
Sarà in particolare l'esperimento ATLAS (e il suo mastodontico rilevatore da 46 metri di lunghezza, 25 metri di diametro e dal peso di circa 7 000 tonnellate, ritratto in questa foto).
Per saperne di più.
A questo punto siete pronti per alcuni ulteriori passi. Nell’ordine:
1. Fare il test per capire quante ne sai di Lhc e della fisica delle particelle.
2. Andare per un giorno al Cern e all’Lhc (ma solo virtualmente).
3. Scoprire a fondo che cosa è stato fatto nei due anni di stop.
4. Leggere che cosa prevedono gli scienziati del Cern.
Foto: © CRN
