Qual è il bosone di Higgs e perché è stato cercato?

Il bosone di Higgs in fisica è una particella elementare, che, secondo gli scienziati, gioca un ruolo fondamentale nella formazione della massa nell'universo. Confermare o confutare l'esistenza di questa particella era uno dei principali obiettivi dell'utilizzo del Large Hadron Collider (LHC) - il più potente acceleratore di particelle al mondo, che si trova presso il Laboratorio europeo di fisica delle particelle elementari (CERN) vicino a Ginevra.

Perché era così importante trovare il bosone di Higgs

Nella fisica moderna delle particelle elementari, esiste un modello standard. L'unica particella che questo modello predice e che gli scienziati hanno cercato di trovare da molto tempo è il bosone chiamato. Il modello di particelle standard (secondo i dati sperimentali) descrive tutte le interazioni e trasformazioni tra particelle elementari. Tuttavia, l'unico "punto bianco" in questo modello è rimasto - la mancanza di una risposta alla domanda sull'origine della massa. L'importanza della massa è fuori dubbio, perché senza di essa, l'Universo sarebbe completamente diverso. Se l'elettrone non avesse massa, quindi gli atomi e la materia stessa non esisterebbero, non ci sarebbero biologia e chimica, dopotutto non ci sarebbe nessun uomo.

Per spiegare il concetto dell'esistenza della massa, diversi fisici, tra cui un britannico Peter Higgs, negli anni '60 del secolo scorso avanzò un'ipotesi sull'esistenza del cosiddetto campo di Higgs. Per analogia con il fotone, che è una particella del campo elettromagnetico, il campo di Higgs richiede anche l'esistenza della sua particella carrier. Quindi, in parole semplici, i bosoni di Higgs sono particelle da cui si forma un campo di Higgs.

La particella di Higgs e il campo che crea

Tutte le particelle elementari possono essere divise in due tipi:

• Fermioni.
• Bosoni.

I fermioni sono quelle particelle che formano materia a noi nota, per esempio protoni, elettroni e neutroni. I bosoni sono particelle elementari che causano l'esistenza di vari tipi di interazione tra fermioni. Ad esempio, i bosoni sono il fotone - il vettore dell'interazione elettromagnetica, il gluone è il vettore dell'interazione forte o nucleare, i bosoni Z e W, che sono responsabili dell'interazione debole, cioè per le trasformazioni tra particelle elementari.

Parlando in termini semplici del bosone di Higgs e del significato dell'ipotesi, che spiega l'emergere della massa, allora si dovrebbe presumere che questi bosoni siano distribuiti nello spazio dell'Universo e formino un campo di Higgs continuo. Quando un corpo, un atomo o una particella elementare sperimentano "attriti" su questo campo, cioè interagiscono con esso, questa interazione si manifesta come l'esistenza di una massa in un dato corpo o particella. Più forte è il corpo che "sfrega" la particella sul campo di Higgs, maggiore è la sua massa.

Come puoi trovare e dove scavare il bosone di Higgs

Questo bosone non può essere rilevato in modo diretto, poiché (secondo i dati teorici) dopo la sua apparizione, si decompone istantaneamente in altre particelle elementari più stabili. Ma le particelle che sono apparse dopo il decadimento del bosone di Higgs possono già essere rilevate. Sono le "tracce", che indicano l'esistenza di questa importante particella.

Gli scienziati, al fine di rilevare la particella del bosone di Higgs, hanno colliso raggi di protoni ad alta energia. L'enorme energia dei protoni in una collisione è in grado di passare alla massa, secondo la ben nota equazione di Albert Einstein E = mc ² . Nella zona di collisione dei protoni nel collisore ci sono molti rilevatori che consentono di registrare l'aspetto e il decadimento di qualsiasi particella.

Teoricamente, la massa del bosone di Higgs non è stata stabilita, e solo un possibile insieme dei suoi valori è stato determinato. Per il rilevamento di particelle, sono necessari potenti acceleratori. Il Large Hadron Collider (BAC) è l'acceleratore più potente sulla Terra al momento. Con il suo aiuto, è stato possibile spingere i protoni con energia vicina a 14 tetraelettronvolt (TeV). Attualmente lavora con energie intorno a 8 TeV. Ma anche queste energie si sono rivelate sufficienti per rilevare il bosone di Higgs o una particella di Dio, come viene anche chiamato da molti.

Eventi casuali e reali

Nella fisica delle particelle elementari, l'esistenza di un evento è stimata con una certa probabilità "sigma", che determina la casualità o la realtà di questo evento ottenuto nell'esperimento. Per aumentare la probabilità di un evento, è necessario analizzare una grande quantità di dati. La ricerca e la scoperta del bosone di Higgs sono correlate a tali eventi probabili. Per rilevare questa particella nell'LHC, sono state generate circa 300 milioni di collisioni in un secondo, quindi la quantità di dati che doveva essere analizzata era enorme.

Puoi parlare dell'attuale osservazione di un particolare evento con sicurezza, se il suo "sigma" sarà 5 o più. Questo è equivalente a un evento con una moneta (se la lanci, e cadrà le code 20 volte di seguito). Questo risultato corrisponde a una probabilità inferiore allo 0,00006%.

Non appena questo "nuovo" evento reale viene scoperto, è necessario studiarlo in dettaglio rispondendo alla domanda se questo evento corrisponda esattamente a una particella di Higgs o se sia un'altra particella. Per questo, è necessario studiare attentamente le proprietà dei prodotti di decadimento di questa nuova particella e confrontarle con i risultati delle previsioni teoriche.

Esperimenti di BAC e scoperta di massa di particelle

Le ricerche di particelle di massa che sono state eseguite presso i collisori di LHC a Ginevra e Tevatron nel laboratorio di Fermi negli Stati Uniti hanno rilevato che una particella di Dio deve avere una massa superiore a 114 Gv (GeV), se espressa in equivalente di energia. Ad esempio, diciamo che la massa di un protone corrisponde approssimativamente a 1 GeV. Altri esperimenti mirati a trovare questa particella hanno rilevato che la sua massa non può superare 158 GeV.

I primi risultati della ricerca del bosone di Higgs nel LHC sono stati presentati nel 2011, grazie all'analisi dei dati raccolti nel collisore per un anno. Durante questo periodo, sono stati condotti due esperimenti principali su questo problema: ATLAS e CMS. Secondo questi esperimenti, il bosone ha una massa tra 116 e 130 GeV, o tra 115 e 127 GeV. È interessante notare che in entrambi questi esperimenti nell'LHC, per molte indicazioni, la massa del bosone si trova in una regione ristretta tra 124 e 126 GeV.

Peter Higgs, insieme al suo collega Frank Englert, ha ricevuto il Premio Nobel l'8 ottobre 2013 per scoprire un meccanismo teorico per comprendere l'esistenza della massa nelle particelle elementari, che è stato confermato negli esperimenti ATLAS e CMS al LHC al CERN (Ginevra) quando è stato rilevato il bosone previsto sperimentalmente.

L'importanza della scoperta della particella di Higgs per la fisica

Spiegando semplicemente della scoperta del bosone di Higgs, possiamo dire che ha segnato l'inizio di una nuova fase della fisica delle particelle elementari, poiché questo evento ha fornito nuovi modi per approfondire lo studio dei fenomeni dell'Universo. Ad esempio, lo studio della natura e delle caratteristiche della materia nera, che secondo le stime generali è circa il 23% dell'intero universo conosciuto, ma le cui proprietà rimangono segrete al presente. La scoperta della particella di Dio ha reso possibile pensare e avviare nuovi esperimenti nell'LHC che aiuteranno a chiarire questo problema.

Proprietà del Bosone

Molte delle proprietà della particella di Dio, che sono descritte nel modello standard delle particelle elementari, sono ora pienamente stabilite. Questo bosone ha zero spin, non ha carica elettrica e colore, quindi non interagisce con altri bosoni, come fotoni e gluoni. Tuttavia, interagisce con tutte le particelle che hanno una massa: quark, leptoni e bosoni delle interazioni deboli Z e W. Più grande è la massa della particella, più forte è l'interazione con il bosone di Higgs. Inoltre, questo bosone è un'antiparticella per se stesso.

La massa di una particella, la sua vita media e l'interazione tra i bosoni non sono previsti dalla teoria. Questi valori possono essere misurati solo sperimentalmente. I risultati degli esperimenti al LHC al CERN (Ginevra) hanno rilevato che la massa di questa particella si trova entro 125-126 GeV e la sua durata è di circa ^10-22 secondi.

Apocalisse aperta al bosone e allo spazio

La scoperta di questa particella è considerata una delle più importanti nell'intera storia dell'umanità. Gli esperimenti con questo bosone continuano e gli scienziati ottengono nuovi risultati. Uno di questi era il fatto che il bosone può condurre alla morte dell'universo. Inoltre, questo processo è già iniziato (secondo gli scienziati). L'essenza del problema è la seguente: il bosone di Higgs può collassare da solo in qualsiasi parte dell'Universo. Questo creerà una bolla di energia che si diffonde gradualmente, assorbendo tutto ciò che incontra.

Sulla questione se la fine del mondo, ogni scienziato risponde positivamente. Il fatto è che esiste una teoria chiamata "Modello stellare". Postula un'affermazione ovvia: tutto ha il suo inizio e la sua fine. Secondo i concetti moderni, la fine dell'Universo apparirà come segue: l'espansione accelerata dell'Universo porta alla dispersione della materia nello spazio. Questo processo continuerà fino all'ultima stella, dopo di che l'Universo si immerge nell'oscurità eterna. Dopo quanto succede, nessuno lo sa.

Con la scoperta del bosone di Higgs, emerse un'altra teoria del giorno del giudizio. Il fatto è che alcuni fisici credono che la massa del bosone ottenuta sia una delle possibili masse temporali, esistono altri suoi valori. Questi valori di massa possono anche essere realizzati, poiché (in termini semplici) il bosone di Higgs è una particella elementare che può esibire proprietà d'onda. Cioè, c'è una probabilità della sua transizione verso uno stato più stabile corrispondente a una massa più grande. Se si verifica una tale transizione, allora tutte le leggi naturali conosciute dall'uomo assumeranno un aspetto diverso, quindi arriverà la fine dell'universo conosciuto. Inoltre, questo processo potrebbe già verificarsi in qualsiasi parte dell'universo. L'umanità non ha molto tempo per la sua esistenza.

I vantaggi di LHC e di altri acceleratori di particelle per la società

Le tecnologie che vengono sviluppate per gli acceleratori di particelle sono anche utili per la medicina, l'informatica, l'industria e l'ambiente. Ad esempio, i magneti collider realizzati con materiali superconduttori con cui è possibile accelerare le particelle elementari possono essere utilizzati per le tecnologie di diagnostica medica. I moderni rivelatori di varie particelle formate nel collisore possono essere utilizzati nella tomografia positronica (un positrone è un'antiparticella di un elettrone). Inoltre, la tecnologia di formazione di fasci di particelle elementari nell'LHC può essere utilizzata per il trattamento di varie malattie, ad esempio tumori del cancro.

Per quanto riguarda i benefici della ricerca che utilizza il LAB al CERN (Ginevra) per la tecnologia dell'informazione, va detto che la rete informatica globale GRID, così come Internet stessa, deve il suo sviluppo sotto molti aspetti agli esperimenti con acceleratori di particelle, che hanno prodotto un'enorme quantità di dati. La necessità di scambiare questi dati tra gli scienziati di tutto il mondo ha portato alla creazione al CERN Tim Burnels-Lee della lingua del World Wide Web (WWW), su cui si basa Internet.

I fasci di particelle, che sono stati formati e formati in vari tipi di acceleratori, sono ora ampiamente utilizzati nell'industria per studiare le proprietà dei nuovi materiali, la struttura degli oggetti biologici e i prodotti dell'industria chimica. I risultati della fisica delle particelle elementari vengono utilizzati per costruire pannelli solari, per elaborare scorie radioattive e così via.

L'influenza della scoperta della particella di Higgs su letteratura, film e musica

I seguenti fatti testimoniano le notizie sensazionali della scoperta di una particella di massa in fisica:

• Dopo la scoperta di questa particella, il famoso libro scientifico "Una particella di Dio: se l'universo è la risposta, allora qual è la domanda?" Leo Liderman. I fisici credono che chiamare il bosone di Higgs una particella di Dio sia un'esagerazione.
• Nel film "Angeli e Demoni", che è basato sul libro con lo stesso nome, viene anche usato il nome del bosone "particella di Dio".
• Nel film di fantascienza "Solaris", in cui i personaggi principali sono George Clooney e Natasha Makehone, la teoria è avanzata, che menziona il campo di Higgs e il suo ruolo importante nella stabilizzazione delle particelle subatomiche.
• Nel libro di fantascienza "Flashforward", scritto da Robert Sawyer nel 1999, due scienziati diventano la causa di una catastrofe globale quando creano esperimenti sul bosone di Higgs.
• La serie spagnola "The Ark" racconta di una catastrofe globale, in cui tutti i continenti furono inondati a seguito di esperimenti al Large Hadron Collider, e solo le persone sulla nave "Polar Star" sopravvissero.
• La band musicale di Madrid "Aviador Dro" nel suo album "The Voice of Science" ha dedicato la canzone al bosone di massa trovato.
• Il cantante australiano Nick Cave nel suo album "Push the Sky Away", uno dei brani intitolato "The Blue Higgs Boson".