Classificazione | particella elementare |
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Composizione | elementare |
Famiglia | bosone |
Gruppo | campo elettrodebole di Higgs |
Simbolo | H 0 |
Massa |
125,38 ± 0,14 GeV (CMS 2020) 125,35 ± 0,15 GeV (CMS 2019)124,97 ± 0,24 GeV (ATLAS 2018) 125,03+0,26 −0,27( stat )+0,13 −0,15( sys ) GeV c −2 (CMS 2014) 125,36 ± 0,37 (stat) ± 0,18 (sys) GeV c −2 (ATLAS 2014) |
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Carica elettrica | 0 C |
Carica di colore | 0 |
Rotazione | 0 |
Parità | +1 |
Tutta la vita | 1,56 × 10 −22 s ( modello standard ) |
Predizione |
François Englert e Robert Brout Peter Higgs G. Guralnik , Carl Richard Hagen e Thomas Kibble (1964) |
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Scoperta |
4 luglio 2012 (anno Domini) 15 marzo 2013 (conferma) |
Il bosone di Higgs , noto anche con altri nomi come bosone BEH o particella di Dio , è una particella elementare la cui esistenza, postulata indipendentemente nel 1964 da François Englert e Robert Brout , da Peter Higgs e da Gerald Guralnik , Carl Richard Hagen e Thomas Kibble , aiuta spiegare la rottura dell'interazione elettrodebole unificata in due interazioni attraverso il meccanismo Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble e spiegare così perché alcune particelle hanno massa e altre no. La sua esistenza è stata confermata sperimentalmente nel 2012 grazie all'utilizzo dell'LHC e ha portato all'attribuzione del Premio Nobel per la fisica a François Englert e Peter Higgs nel 2013 .
Il bosone Higgs quantistica di campo di Higgs , dà una massa non-zero i bosoni di gauge della interazione debole ( W e Z bosone ), conferendo loro proprietà differenti da quelle del bosone della interazione elettromagnetica , il fotone .
Questa particella elementare costituisce una delle chiavi di volta del modello standard della fisica delle particelle . La conoscenza delle sue proprietà può anche orientare la ricerca oltre il Modello Standard e aprire la strada alla scoperta di nuova fisica , come la supersimmetria o la materia oscura .
Il 4 luglio 2012, Il CERN annuncia in una conferenza di aver identificato, con un livello di confidenza del 99,999 97% (5 σ ), un nuovo bosone in un dominio di massa dell'ordine di 125-126 GeV c −2 , che sembra compatibile con quello del Bosone di Higgs. Segue l'annuncio, il17 settembre 2012Con la pubblicazione di due articoli sulla rivista Physics Letters B . Il15 marzo 2013, Il CERN conferma che, con ogni probabilità, si tratta effettivamente del bosone di Higgs.
Il simbolo del bosone di Higgs è H 0 .
Il modello standard della fisica delle particelle prevede solo l'esistenza di un singolo bosone BEH: viene definito "bosone di Higgs standard" . Delle teorie oltre il Modello Standard , come la supersimmetria , consentono l'esistenza di diversi bosoni questo tipo di masse e differenti proprietà .
La ricerca del bosone scalare (o bosone di Higgs) è una delle priorità dell'LHC , il successore dell'acceleratore di particelle del LEP al CERN , operativo da10 settembre 2008. Lo stato della ricerca indicembre 2011non consente di concludere l'esistenza del bosone Higgs, ma è supportato durante un seminario organizzato poi al CERN che la propria energia, se esiste, deve probabilmente essere compreso tra 116 - 130 GeV secondo le ATLAS esperimenti e 115 - 127 GeV secondo quelli del CMS . L'LHC o il Tevatron ( proton antiproton collider ) potrebbero scoprire un bosone di Higgs che soddisfa il modello standard o cinque bosoni di Higgs (tre neutri e due trasportatori di cariche elettriche) a seconda della previsione del modello supersimmetrico .
In un annuncio ufficiale tanto atteso, il CERN ha, il 4 luglio 2012, ha confermato ai media l'esistenza, con una probabilità sufficiente di 5 σ di certezza (corrispondente a 99,999 9%), di una particella che presenta caratteristiche coerenti con quelle attese dal bosone di Higgs. Altre proprietà devono essere misurate, in particolare la velocità e le modalità di decadimento di questa particella, per una conferma definitiva, che non mette in discussione la natura molto probabile di questa scoperta. Questa identificazione quindi non significa ancora che sia stato necessariamente scoperto il bosone di Higgs; probabilmente ci vorranno ancora qualche anno di ricerca per stabilirlo.
Il 14 marzo 2013, il CERN ha emesso un comunicato stampa in cui indicava che il bosone appena scoperto "assomiglia sempre di più" a un bosone di Higgs, sebbene non sia ancora certo se sia del bosone di Higgs del modello standard .
Il 28 agosto 2018, I fisici del CERN annunciano di aver rilevato, utilizzando rivelatori Atlas e CMS, il decadimento del bosone in una coppia di quark bottom, confermando così il modello standard.
L'esistenza del bosone scalare (Higgs) è troppo breve per essere rilevata direttamente: possiamo solo sperare di osservare i suoi prodotti di decadimento, o anche i prodotti di decadimento di quest'ultimo. Inoltre, eventi che coinvolgono particelle ordinarie possono produrre un segnale simile a quello prodotto da un bosone di Higgs.
Inoltre, una particella può essere osservata in un rivelatore solo a energie maggiori o uguali alla propria massa . È inoltre abusivo parlare di massa per una tale particella, poiché nel modello la massa non è più una caratteristica intrinseca delle particelle, ma una misura delle loro interazioni con il campo di Higgs .
Infine, la complessità dei fenomeni coinvolti sia nella produzione che nella rilevazione di questi bosoni porta a ragionare in termini statistici piuttosto che in termini di identificazione formale al 100% del bosone.
Pertanto, per affermare una scoperta nella fisica delle particelle, la probabilità di errore deve essere inferiore allo 0,00006%, corrispondente a un intervallo di confidenza di 5 σ . Un tale approccio statistico implica quindi causare un numero molto elevato di collisioni durante gli esperimenti per arrivare a questi livelli di probabilità.
La rilevazione diretta dell'esistenza del bosone di Higgs richiede l'uso di rivelatori specifici con acceleratori di particelle . I seguenti esperimenti tentano o hanno tentato di rilevare il bosone di Higgs:
a LEP ( elettrone - collisore di positroni ) ALEPH , DELPHI , L3 e OPAL . Per la ricerca del bosone di Higgs, LEP fallisce per la sua energia relativamente bassa. LEP ha operato dal 1989 al 2000. al Tevatron (collisore protone-antiprotone) DØ e CDF . Nonostante la sua energia massima sette volte inferiore a quella dell'LHC, il Tevatron consente meno rumore di fondo per le collisioni e l'uso di collisioni protone-antiprotone potrebbe causare eventi specifici che non si verificano in collisori di protoni. / Protoni come l'LHC. Il Tevatron ha operato dal 1983 al 2011. Allo LHC ( protone -proton collisionatore ) ATLAS e CMS . L'LHC è operativo dal 2009.Altri strumenti, in particolare i collisori lineari elettrone-positrone come l' International Linear Collider ( ILC ) e il Compact Linear Collider ( CLIC ), attualmente in fase di studio, potrebbero rendere più semplice l'identificazione del bosone di Higgs, e la migliore comprensione dei meccanismi coinvolti.
Per un certo periodo si è pensato che il bosone di Higgs fosse stato rilevato al LEP nel 2000 . La significatività statistica era tuttavia troppo bassa per garantire questa dimostrazione. Studi condotti nel 2002 al LEP hanno permesso di concludere che esiste una probabilità dell'8% che gli eventi osservati possano essere spiegati senza coinvolgere Higgs.
Gli esperimenti CMS e ATLAS presso l' LHC hanno annunciato nel dicembre 2011 di osservare eccessi coerenti tra 124 e 126 GeV c -2 . Questi eccessi, meno di tre volte la deviazione standard , non sono tuttavia sufficientemente significative dal punto di vista statistico per convalidare con certezza la scoperta del bosone di Higgs.
Le esperienze passate e attuali portano ad escludere questa massa a riposo del bosone di Higgs da determinati intervalli:
L'energia pulita del bosone di Higgs è stimata nel 2012 a (125,3 ± 0,6) GeV c −2 .
Al di là di diverse centinaia di GeV / c², l'esistenza del bosone di Higgs standard è messa in dubbio dalla teoria.
Sono state poste diverse domande riguardanti, tra le altre cose, il meccanismo e la massa dei bosoni . Per fornire una risposta a queste domande, la nozione di rottura della simmetria è stata introdotta nella teoria elettrodebole .
Le regolarità nel comportamento delle particelle sono chiamate simmetrie e sono strettamente correlate alle leggi di conservazione . La simmetria è anche correlata al concetto di invarianza: se un cambiamento effettuato in un sistema fisico non produce alcun effetto osservabile, il sistema è detto invariante al cambiamento, implicando simmetria (vedi teorema di Noether ).
L'unificazione elettrodebole si basa sul concetto che le forze sono generate dallo scambio di bosoni. Quando diciamo che c'è una forza tra due fermioni (spin semi-intero), significa anche che stanno scambiando bosoni. Da lì dobbiamo capire come i bosoni che trasmettono le forze fondamentali acquisiscono massa. Nel caso di unificazione elettrodebole, come fanno i bosoni W ± e Z ° ad acquisire massa quando il fotone no?
Le simmetrie di gauge richiedono che i trasmettitori di forza (bosone di gauge) siano privi di massa. Per aggirare il problema della massa dei bosoni, Salam , Glashow e Weinberg hanno dovuto inventare un meccanismo per rompere la simmetria di gauge consentendo a W ± e Z ° di acquisire massa. Tali meccanismi erano stati sviluppati in altri contesti da vari teorici: Yoichiro Nambu , Jeffrey Goldstone , Sheldon Glashow, Peter Higgs e Philip Warren Anderson .
L'idea è di postulare l'esistenza di un nuovo campo, soprannominato il campo di Higgs .
A differenza di tutti gli altri campi conosciuti come il campo elettromagnetico , il campo di Higgs è un campo scalare e ha un valore costante diverso da zero nel vuoto. Il campo di Higgs differirebbe dagli altri campi in quanto a bassa temperatura (energia), lo spazio "preferirebbe" essere riempito con particelle di Higgs piuttosto che no. I bosoni W ± e Z ° interagiscono con questo campo (a differenza del fotone) e si muovono nello spazio come se si muovessero in una spessa "melassa". In questo modo acquisiscono massa effettiva. Ad alta temperatura (energia), le interazioni nel campo di Higgs sono tali che lo spazio non è più pieno di questa melassa di Higgs (un po 'come se la temperatura avesse fluidificato la melassa), W ± e Z ° perdono la loro massa e il la simmetria tra W ± , Z ° e il fotone non viene più rotta, viene “ripristinata”. Si dice che sia manifesto. La massa di un fermione o di un bosone sarebbe quindi solo una manifestazione di questa interazione delle particelle con il campo di Higgs in cui si “bagnano”.
Il campo di Higgs preserva la simmetria ad alta energia e spiega la rottura della simmetria a bassa energia. È responsabile della massa dei bosoni elettrodeboli, ma interagisce anche con i fermioni (quark e leptoni), che acquisiscono così “massa”. I più leggeri sono i neutrini , che fino a tempi recenti si riteneva avessero massa nulla; quindi viene l'elettrone con una massa di 0,511 MeV c −2 . In cima alla scala c'è il quark top , che è di gran lunga la particella elementare più pesante con i suoi 175 GeV c −2 .
Le particelle elementari (bosoni, fermioni) acquisiscono massa a causa del campo di Higgs, ma perché ogni particella acquisisce una massa diversa, o addirittura non acquisisce massa come nel caso del fotone? Perché la forza dell'affinità delle particelle con il campo di Higgs - chiamato accoppiamento - è così diversa da particella a particella, e quindi come spiegare questa gerarchia di masse? Oggi non conosciamo le risposte a queste domande e la teoria del bosone di Higgs da sola non può rispondere.
Il fisico delle particelle elementari David J. Miller ha paragonato il bosone e il meccanismo di Higgs a un cocktail che ha riunito i membri di un partito politico.
Il campo di Higgs viene confrontato con il gruppo di persone che inizialmente riempiono un soggiorno in modo uniforme. Quando un noto personaggio politico entra nel soggiorno, attira intorno a sé attivisti, il che le dà una "massa" significativa. Questa raccolta corrisponde al meccanismo di Higgs, ed è lui che attribuisce la massa alle particelle.
Non è il bosone che dà massa direttamente alle particelle: il bosone è una manifestazione del campo di Higgs e del meccanismo di Higgs che, da parte sua, dà massa alle particelle. Questo è paragonabile, in questa metafora, al seguente fenomeno: una persona esterna, dal corridoio, diffonde una voce alle persone vicino alla porta. Una folla di militanti si forma allo stesso modo e si diffonde, come un'onda, attraverso la stanza per trasmettere informazioni: questa folla corrisponde al bosone di Higgs.
L'osservazione del bosone di Higgs sarebbe quindi un'indicazione molto forte dell'esistenza del meccanismo di Higgs, ma potrebbe esistere anche se il bosone non esiste.
Solo l'1% della massa della materia normale può essere considerata causata dal bosone di Higgs. In effetti, la materia normale è composta da atomi, essi stessi composti da elettroni e nucleoni (protoni e neutroni). Tuttavia, la massa degli elettroni è molto bassa e il 99% della massa dei nucleoni proviene dall'energia di legame (dalla forza forte) tra i quark, anch'essi molto leggeri.
Higgs stesso non rivendica in alcun modo la paternità, alcuni, come François Englert , ritengono che sia più rilevante chiamare questa particella "bosone BEHHGK", per Brout , Englert , Higgs , Hagen , Guralnik e Kibble , a volte semplificato in "BEH boson" per Brout, Englert e Higgs (quest'ultimo nome adottato per 47 è Rencontres de Moriond sulla fisica delle particelle a La Thuile nel 2012), o per chiamare "massa del bosone scalare" o "rottura della simmetria spontanea del bosone (BSS) scalare".
“Il nostro articolo è apparso nelle Physical Review Letters del 31 agosto 1964 quando l'articolo di Higgs è stato presentato solo. E questo cita il nostro testo. Quindi abbiamo la precedenza. Ciò che Peter Higgs riconosce prontamente. Diciamo che c'è stata una co-scoperta, in maniera indipendente ma complementare. L'approccio matematico era diverso. Non ci conoscevamo. Abbiamo iniziato a chiamare questa particella "bosone di Higgs" e non siamo cambiati, mentre gli scienziati sanno che è il "bosone di Brout-Englert-Higgs" e il campo BEH. Preferisco chiamarlo anche diversamente, cioè “bosone scalare” e “campo scalare”, che meglio descrive la struttura di questo bosone. "
- François Englert, intervistato a La Libre Belgique
Le designazioni "particella-Dio" e "particella di Dio" sono due traduzioni del soprannome " particella di Dio " . Questo soprannome è in realtà una modifica imposta dall'editore del libro di Leon Lederman , che ha scritto " The Goddamn Particle " (letteralmente "la dannata particella" nella corrente francese "dannata particella" o "dannata particella"). Questi nomi, ampiamente usati dai media, sono generalmente condannati dai fisici.