La stramaledetta particella
di Pierdomenico Memeo
- Materie coinvolte: Fisica
“Quest'estate ho scoperto una cosa completamente inutile.”
Peter Higgs riguardo il meccanismo da lui ipotizzato, citato in Science Scotland (2004)
La stramaledetta particella
Nella fisica non c'è argomento più strano della fisica delle particelle; e nella fisica delle particelle non c'è argomento più strano della massa delle particelle.
Infatti, mentre altre grandezze fisiche associate alle particelle elementari (come la carica elettrica, la carica di colore, o lo spin) sembrano essere completamente quantizzate, la massa pare invece sfuggire a ogni tentativo di quantizzazione: la massa non appare cioè come una grandezza intrinseca alle particelle, ma sembra derivare da un meccanismo di interazione.
Questo aspetto ha stimolato (e sconcertato) i fisici delle particelle, che sono andati alla ricerca, teorica e sperimentale, di meccanismi che potessero spiegare questo comportamento. Ma per arrivare al termine di questa ricerca saranno necessari alcuni degli esperimenti più complessi mai realizzati dagli esseri umani, e quasi cinque decadi di lavoro.
Galeotto fu il libro
Il meccanismo che spiega l'origine della massa si manifesta attraverso un bosone, ossia una particella subatomica che prende il nome dello scienziato britanno che nel 1964 tra i primi ha ipotizzato la sua esistenza, Peter Higgs. Nasce così il bosone di Higgs, che a volte viene nominato come la “particella di dio”. Anche se non ci sarebbe alcun bisogno di dirlo, la particella in questione non ha ovviamente attinenze con la metafisica. Questa espressione è spesso legata fatto che il bosone di Higgs è coinvolto nell'origine della massa, quindi in un certo senso possiede un ruolo nella “creazione” della materia.
In realtà, l’espressione deriva dal titolo di un libro di divulgazione sulla fisica teorica del 1998 “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” di Leon Lederman e Dick Teresi, che ha fatto conoscere la particella al grande pubblico, In realtà, la prima parte del titolo del libro sarebbe dovuta essere “The goddamn particle” (“la stramaledetta particella”, o “quel diavolo di particella”), in riferimento all’estrema difficoltà che già era apparente in quegli anni di riuscire a trovare prove della sua esistenza: l’editore però aveva rifiutato il titolo perché troppo controverso e aveva deciso di utilizzare una versione più edulcorata. Una decisione che da una parte ha certamente contribuito alla fama della particella e del suo “padre scientifico”, ma che d’altra parte ha generato probabilmente ancora più controversie.
In realtà, l’espressione deriva dal titolo di un libro di divulgazione sulla fisica teorica del 1998 “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” di Leon Lederman e Dick Teresi, che ha fatto conoscere la particella al grande pubblico, In realtà, la prima parte del titolo del libro sarebbe dovuta essere “The goddamn particle” (“la stramaledetta particella”, o “quel diavolo di particella”), in riferimento all’estrema difficoltà che già era apparente in quegli anni di riuscire a trovare prove della sua esistenza: l’editore però aveva rifiutato il titolo perché troppo controverso e aveva deciso di utilizzare una versione più edulcorata. Una decisione che da una parte ha certamente contribuito alla fama della particella e del suo “padre scientifico”, ma che d’altra parte ha generato probabilmente ancora più controversie.
Figura 1. Evento candidato per la rivelazione del bosone di Higgs. Copyright: CERN, CC BY-SA 3.0
Come funziona il meccanismo di Higgs?
Il bosone di Higgs è una particella che fa parte del Modello Standard, la teoria che descrive la classificazione delle particelle fondamentali dell'Universo e le tre interazioni fondamentali della fisica (elettromagnetica, nucleare forte, e nucleare debole). Resta esclusa la teoria della gravità: mettere insieme il Modello Standard con la Relatività Generale è probabilmente la più grande sfida aperta nella fisica contemporanea.
Nel Modello Standard quello di Higgs è un bosone, cioè un tipo di particella subatomica dotata di uno spin rappresentato da un numero intero. I tipi più semplici di bosoni sono quelli che funzionano da mediatori, ossia da intermediari nelle interazioni che abbiamo visto: i fotoni sono i bosoni mediatori dell’interazione elettromagnetica, i gluoni quelli dell’interazione nucleare forte, eccetera. In questi casi si parla di bosoni vettori: possiamo cioè pensarli come particelle che vengono scambiate tra i due attori, realizzando gli effetti delle interazioni fondamentali. Il bosone di Higgs, invece, è un bosone scalare: questo significa che non viene scambiato tra altre particelle, ma ha effetto interagendo con le singole particelle.
Semplificando enormemente, Higgs ha ipotizzato che lo spazio, anche quello vuoto, fosse permeato da un campo scalare, una sorta di “zuppa” all'interno della quale si muovevano le altre particelle: l'interazione tra le particelle e la “zuppa” sarebbe quello che noi chiamiamo massa. Le particelle che interagivano fortemente con la “zuppa” acquisivano una massa maggiore; quelle che invece interagivano debolmente acquisivano una massa minore; quelle che non interagivano affatto, infine acquisivano una massa pari a zero (come per esempio i fotoni).
Ma il grande risultato di Higgs nel suo lavoro fu che riuscì a calcolare quale dovesse essere la massa del bosone che stava ipotizzando (e che dipendeva essa stessa dal medesimo meccanismo immaginato). Questo ha dato agli scienziati un punto di riferimento per progettare esperimenti con quali confermare (o smentire!) l'esistenza di questa particella. La cosa difficile è che all'epoca, negli anni '60 e '70, non esistevano strumenti in grado di raggiungere le energie elevate necessarie per questi esperimenti.
Ci sarebbero voluti quasi 50 anni e tutta la potenza del più grande acceleratore di particelle mai costruito finora dagli esseri umani, il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra. A luglio del 2012 fu annunciata la conferma dell’esistenza del bosone di Higgs, e questo annuncio rappresenta un passo fondamentale nella conferma del Modello Standard.
Nel Modello Standard quello di Higgs è un bosone, cioè un tipo di particella subatomica dotata di uno spin rappresentato da un numero intero. I tipi più semplici di bosoni sono quelli che funzionano da mediatori, ossia da intermediari nelle interazioni che abbiamo visto: i fotoni sono i bosoni mediatori dell’interazione elettromagnetica, i gluoni quelli dell’interazione nucleare forte, eccetera. In questi casi si parla di bosoni vettori: possiamo cioè pensarli come particelle che vengono scambiate tra i due attori, realizzando gli effetti delle interazioni fondamentali. Il bosone di Higgs, invece, è un bosone scalare: questo significa che non viene scambiato tra altre particelle, ma ha effetto interagendo con le singole particelle.
Semplificando enormemente, Higgs ha ipotizzato che lo spazio, anche quello vuoto, fosse permeato da un campo scalare, una sorta di “zuppa” all'interno della quale si muovevano le altre particelle: l'interazione tra le particelle e la “zuppa” sarebbe quello che noi chiamiamo massa. Le particelle che interagivano fortemente con la “zuppa” acquisivano una massa maggiore; quelle che invece interagivano debolmente acquisivano una massa minore; quelle che non interagivano affatto, infine acquisivano una massa pari a zero (come per esempio i fotoni).
Ma il grande risultato di Higgs nel suo lavoro fu che riuscì a calcolare quale dovesse essere la massa del bosone che stava ipotizzando (e che dipendeva essa stessa dal medesimo meccanismo immaginato). Questo ha dato agli scienziati un punto di riferimento per progettare esperimenti con quali confermare (o smentire!) l'esistenza di questa particella. La cosa difficile è che all'epoca, negli anni '60 e '70, non esistevano strumenti in grado di raggiungere le energie elevate necessarie per questi esperimenti.
Ci sarebbero voluti quasi 50 anni e tutta la potenza del più grande acceleratore di particelle mai costruito finora dagli esseri umani, il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra. A luglio del 2012 fu annunciata la conferma dell’esistenza del bosone di Higgs, e questo annuncio rappresenta un passo fondamentale nella conferma del Modello Standard.
Figura 1. L'esperimento ATLAS durante la costruzione al CERN. Copyright: CERN, CC BY 4.0
Proposta di attività per la classe: Vedere l'invisibile
Questa attività si presta ad interazioni interdisciplinari con i corsi di Arte Visive, di Tecnologie Digitali, e di altre forme d'arte (oer esempio Cinema, Teatro, Danza, Musica, e altre)
Noi siamo abituati, in mancanza di meglio, a immaginare le particelle come “palline” che si muovono nello spazio e interagiscono tra loro. Questa immagine mentale, seppur utile, può far cadere in alcune trappole concettuali, che rendono difficile comprendere alcune caratteristiche dei fenomeni che stiamo studiando. La visualizzazione scientifica è una branca della comunicazione e della didattica della scienza che lavora a cavallo tra le arti, le scienze, e le tecnologie, ed è fondamentale nel lavoro della ricerca scientifica per rendere comprensibili alcuni degli aspetti più ostici del proprio campo di studi.
Per svolgere questa attività, studenti e studentesse dovranno organizzarsi in gruppi e lavorare sulla visualizzazione di un fenomeno della fisica delle particelle (possibilmente il meccanismo di Higgs, ma è possibile estendere la scelta ad altri fenomeni della fisica teorica).
Le tecniche con cui i gruppi possono lavorare sono molteplici:
Questo lavoro si presta a essere portato avanti in un progetto interdisciplinare di lungo respiro, e si presta per la sperimentazione di una didattica inclusiva, specialmente nel caso in cui all'interno del gruppo classe siano presenti studenti o studentesse con disabilità o ridotte capacità sensoriali o fisiche (vista, udito, mobilità, eccetera). In questo caso, è altamente consigliata la partecipazione o la consulenza di esperti nell'ambito della didattica inclusiva, e se presenti docenti di sostegno.
Noi siamo abituati, in mancanza di meglio, a immaginare le particelle come “palline” che si muovono nello spazio e interagiscono tra loro. Questa immagine mentale, seppur utile, può far cadere in alcune trappole concettuali, che rendono difficile comprendere alcune caratteristiche dei fenomeni che stiamo studiando. La visualizzazione scientifica è una branca della comunicazione e della didattica della scienza che lavora a cavallo tra le arti, le scienze, e le tecnologie, ed è fondamentale nel lavoro della ricerca scientifica per rendere comprensibili alcuni degli aspetti più ostici del proprio campo di studi.
Per svolgere questa attività, studenti e studentesse dovranno organizzarsi in gruppi e lavorare sulla visualizzazione di un fenomeno della fisica delle particelle (possibilmente il meccanismo di Higgs, ma è possibile estendere la scelta ad altri fenomeni della fisica teorica).
Le tecniche con cui i gruppi possono lavorare sono molteplici:
- realizzazione di una immagine (o sequenza di immagini)
- realizzazione di un video (digitale o analogico)
- realizzazione di un filmato in stop motion (digitale o analogico)
- realizzazione di una coreografia di danza (con uno o più interpreti)
- realizzazione di una scena teatrale (con uno o più interpreti)
- realizzazione di un'opera materiale (modellino, scultura)
- realizzazione di una composizione musicale (da sola o in supporto ad altre rappresentazioni)
- altre, in base alle competenze e alle inclinazioni
Questo lavoro si presta a essere portato avanti in un progetto interdisciplinare di lungo respiro, e si presta per la sperimentazione di una didattica inclusiva, specialmente nel caso in cui all'interno del gruppo classe siano presenti studenti o studentesse con disabilità o ridotte capacità sensoriali o fisiche (vista, udito, mobilità, eccetera). In questo caso, è altamente consigliata la partecipazione o la consulenza di esperti nell'ambito della didattica inclusiva, e se presenti docenti di sostegno.
Sitografia
FAQ relative al bosone di Higgs
Ufficio Comunicazione Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Bosone di Higgs: cos’è successo negli ultimi dieci anni e cosa succederà ancora
Articolo su WIRED
Un té con Peter Higgs
Intervista su Le Scienze
Ufficio Comunicazione Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Bosone di Higgs: cos’è successo negli ultimi dieci anni e cosa succederà ancora
Articolo su WIRED
Un té con Peter Higgs
Intervista su Le Scienze
Bibliografia
A caccia del bosone di Higgs
Magneti, governi, scienziati e particelle nell'impresa scientifica del secolo
Luciano Maiani con Romeo Bassoli
Mondadori (2017)
ISBN: 9788804681403
La particella alla fine dell'universo
La caccia al bosone di Higgs e le nuove frontiere della fisica
Sean Carroll
Codice (2022)
ISBN: 9791254500309
Magneti, governi, scienziati e particelle nell'impresa scientifica del secolo
Luciano Maiani con Romeo Bassoli
Mondadori (2017)
ISBN: 9788804681403
La particella alla fine dell'universo
La caccia al bosone di Higgs e le nuove frontiere della fisica
Sean Carroll
Codice (2022)
ISBN: 9791254500309
