Era il 4 luglio 2012 quando le collaborazioni internazionali degli esperimenti ATLAS e CMS all’acceleratore LHC Large Hadron Collider del CERN annunciavano in diretta mondiale la scoperta di una nuova particella, con caratteristiche coerenti a quelle del bosone di Higgs previsto dalla teoria del Modello Standard della fisica delle particelle.
Una scoperta che ha scritto un nuovo capitolo dei libri di fisica e della storia della scienza, e che l’anno successivo è valsa il Premio Nobel per la Fisica ai teorici Peter Higgs e François Englert che, insieme al compianto Robert Brout, ne avevano previsto l’esistenza nel 1964.
La loro geniale intuizione ha richiesto quasi cinquant’anni e la realizzazione del più grande e potente complesso di macchine mai realizzato per essere confermata.
“La scoperta del bosone di Higgs è stata una pietra miliare nella fisica delle particelle. Ha segnato la conclusione di un lungo viaggio di esplorazione e l'inizio di una nuova era di studi di questa particella molto speciale”, commenta Fabiola Gianotti, Direttore Generale del CERN e capo progetto dell'esperimento ATLAS al momento della scoperta. “Ricordo con emozione – prosegue Gianotti – il giorno dell'annuncio, un giorno di immensa gioia per la comunità mondiale della fisica delle particelle, e per tutte le persone che hanno lavorato instancabilmente per decenni per rendere possibile questa scoperta”.
Un’impresa scientifica colossale resa possibile dalla visione, dalla determinazione e dall’impegno di decine di Paesi, centinaia di Istituzioni scientifiche e migliaia di persone di tutto il mondo, e nell’ambito della quale l’Italia ha svolto sempre un ruolo fondamentale, grazie al coordinamento dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e al lavoro della sua grande comunità.
“La scoperta del bosone di Higgs è stata per tutti noi il coronamento di un sogno, che ha trovato la sua realizzazione nella più complessa impresa scientifica e tecnologica mai portata a compimento dalla comunità della fisica delle particelle, testimonianza di come il rigore del metodo scientifico possa permettere a una geniale idea della mente umana di trovare riscontro nella solidità dei dati sperimentali”, commenta Antonio Zoccoli, presidente dell’INFN. “Un successo cui ognuno ha portato il suo piccolo grande contributo: studenti e dottorandi, ricercatori, tecnici e tecnologi, amministrativi, ognuno ha fatto la sua parte, tutti orgogliosi di rendere l’Italia protagonista di questa impresa”. “Un’impresa – prosegue Zoccoli – che è emblematica di ciò che significa fare ‘grande scienza’: capacità di strategia e visione a lungo termine, progettualità oltre lo stato dell’arte, collaborazione e partecipazione globali, capacità di coordinamento e di gestione in contesti complessi, sinergia tra mondo della ricerca e mondo industriale, produzione di nuove conoscenze e innovazione tecnologica. Tutto questo è la ricerca di base, una delle più affascinanti e arricchenti attività umane”, conclude Zoccoli.
“Il successo della ricerca del bosone di Higgs all’acceleratore LHC del CERN è prova della validità della strategia delle grandi collaborazioni internazionali della fisica delle particelle, quando si devono esplorare fenomeni fisici di grande complessità, alla frontiera della conoscenza”, sottolineano Stefano Giagu e Lucia Silvestris, responsabili nazionali INFN rispettivamente delle collaborazioni ATLAS e CMS. “In questo lungo e complesso processo, il contributo italiano è stato cruciale in ogni fase e in ogni settore: dall’ideazione alla progettazione delle macchine, alla loro realizzazione e messa a punto, dallo sviluppo e implementazione dei sistemi di acquisizione dei dati in tempo reale, alla gestione computazionale e all’analisi dei dati stessi. Tutti aspetti essenziali, senza i quali non sarebbe stato possibile scoprire una nuova particella”.
La comprensione del bosone di Higgs, un viaggio lungo dieci anni che ancora continua.
In questi dieci anni le ricercatrici e i ricercatori delle collaborazioni scientifiche ATLAS e CMS hanno compiuto determinanti passi avanti nella comprensione dell'universo. Hanno verificato e confermato che la particella osservata nel 2012 è effettivamente il bosone di Higgs, e hanno iniziato a costruire il quadro complessivo entro cui esso si colloca, a partire da un decimo di miliardesimo di secondo dopo il big bang, quando la sua presenza è diventata pervasiva in tutto l’universo.
ATLAS e CMS hanno indagato in dettaglio se le proprietà della particella che avevano scoperto corrispondessero effettivamente a quelle previste dal Modello Standard per il bosone di Higgs.
Utilizzando i dati delle collisioni tra protoni nell’acceleratore LHC, hanno studiato il decadimento della nuova particella in due fotoni, dimostrando che, al contrario di tutte le particelle elementari note, essa non ha momento angolare intrinseco o spin quantistico, esattamente come il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard.
Studiando i bosoni di Higgs e i decadimenti in coppie di bosoni W o Z, ATLAS e CMS hanno confermato che questi ottengono la loro massa attraverso l’interazione con il campo di Higgs, come previsto dal Modello Standard. La forza di queste interazioni spiega il piccolo raggio di azione della forza debole.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il quark top, il quark bottom e il leptone tau – che sono i fermioni più pesanti – ottengono la loro massa dalle loro interazioni con il campo di Higgs, sempre come previsto dal Modello Standard. Queste osservazioni hanno confermato l'esistenza di una forza, chiamata interazione di Yukawa, che fa parte del Modello Standard ma è diversa da tutte le altre forze della teoria: è mediata dal bosone di Higgs e la sua forza non è quantizzata.
ATLAS e CMS sono riusciti a misurare con grande accuratezza la massa del bosone di Higgs – pari a 125 GeV –, che è una costante fondamentale della natura il cui valore non è previsto dal Modello Standard e che, insieme alla massa della particella elementare più pesante conosciuta, il quark top, e ad altri parametri, può determinare la stabilità del vuoto dell'universo.
Tutti i risultati ottenuti finora sono coerenti con il Modello Standard, ma c'è ancora molto spazio per nuovi fenomeni al di là di quanto previsto da questa teoria e il bosone di Higgs stesso potrebbe dare indicazione di nuovi fenomeni: ATLAS e CMS stanno eseguendo molte ricerche per sondare tutte le possibili forme di processi non previsti che potrebbero coinvolgere il bosone di Higgs e il loro lavoro proseguirà durante il Run3 di LHC che inizierà domani, 5 luglio, con le prime collisioni ad alta energia. Alla ripartenza del programma di fisica del più potente acceleratore di sempre e dei suoi esperimenti ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, LHCf, MoEDAL, FASER, SND@LHC sarà dedicata una diretta dal CERN dalle 16 alle 18 che sarà possibile seguire anche sul canale Youtube dell’INFN a questo link.
ICHEP 2022 International Conference on High Energy Physics, Bologna, 6-13 luglio
I più recenti lavori nel settore dell’Higgs e negli altri settori di punta della fisica delle alte energie ma anche di altri ambiti della fisica fondamentale saranno presentati e discussi ad ICHEP, la principale conferenza internazionale di fisica delle particelle che sarà ospitata per la prima volta in Italia, a Bologna, a partire dal prossimo 6 luglio. La 41° edizione di ICHEP è organizzata dalle Sezioni INFN di Bologna e Ferrara con le Università locali e vedrà la partecipazione di centinaia di fisici da decine di Paesi, che trasformeranno, fino al 13 luglio, il capoluogo dell’Emilia-Romagna nella capitale mondiale della fisica.
ICHEP propone anche un ricco programma di eventi pubblici in città, Le Meraviglie della Fisica, che sarà l’occasione per celebrare il decennale del bosone di Higgs. Segnaliamo, in particolare:
12 luglio ore 18.00 - 19:00 | Premiazione concorso 10 anni dalla scoperta del bosone di Higgs promosso da ATLAS Italia e CMS Italia
Piazza Coperta di Sala Borsa, Piazza del Nettuno 3, Bologna
12 luglio, ore 21:30 | conferenza spettacolo A UN PASSO DAL BIG BANG. LA FISICA DOPO IL BOSONE DI HIGGS
Piazza Maggiore, Bologna
Conferenza spettacolo con Fabiola Gianotti, Direttore Generale del CERN, Gian Francesco Giudice, Direttore della divisione di fisica teorica del CERN, Guido Tonelli, Professore all’Università degli Studi di Pisa, Antonio Zoccoli, Presidente dell’INFN, Professore all’Università degli Studi di Bologna. Conduce Serena Dandini, con la partecipazione musicale de La Banda dell’Uku.
Le iniziative dell’INFN
Puoi consultare il programma delle iniziative che saranno organizzate dall’INFN nel corso del 2022 in tutta Italia sul sito dedicato al decennale della scoperta del bosone di Higgs https://higgs10.infn.it/ (il programma è in continuo aggiornamento)
Puoi scaricare il video di auguri della comunità INFN per l’anniversario del bosone di Higgs da qui o guardarlo sui canali social dell'INFN
Puoi ascoltare Tracce. Lessico di una scoperta, il podcast dell’INFN dedicato alla scoperta del bosone di Higgs su Spreaker, Spotify e Google Podcasts