La Fisica delle particelle elementari

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oltre la teoria standard

 

"I tentativi che oggi si fanno di giungere

a una teoria del campo unificato

sono in realtà incredibilmente semplicistici"

(I.M. Singer)

 

 

la particella di Higgs

 

Che la teoria non ponga virtualmente  alcuna restrizione alla massa della particella di Higgs costituisce un problema. Essa potrebbe plausibilmente avere un valore di soli pochi miliardi di elettronvolt (GeV) o anche di un bilione di elettronvolt (TeV). Se la massa è inferiore a 50 GeV, dovrebbe essere possibile individuarla con i più grandi collisori elettrone-positone attualmente esistenti, lo Stanford Linear Collider (SLC) e il Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN. Se la massa è compresa tra 50 e 200 GeV, il Tevatron dovrebbe essere in grado di produrla, anche se può essere sperimentalmente difficile averne la prova in mezzo al caos di altre particelle in quell'intervallo di masse.

Per masse di Higgs molto superiori a 200 GeV diventa meno appropriato descrivere come elementare la particella di Higgs. La meccanica quantistica insegna che quanto minore è la vita di una particella, tanto minore diventa la conoscenza della sua energia o, in modo equivalente, della sua massa. Se la massa della particella di Higgs supera i 200 GeV, la particella decade in due particelle W o in due particelle Z, e la sua vita deve essere talmente breve da produrre una distribuzione della sua massa in un ampio intervallo. E' il caso di meditare quale senso possa avere il considerare particella un'entità priva di una massa definita.

 


simulazione del decadimento del bosone di Higgs

 

Se la massa della particella di Higgs raggiunge 1 TeV, la teoria elettrodebole prevede che, a energie di 1 TeV o superiori, debbano manifestarsi fenomeni del tutto nuovi. In tali circostanze l'interazione elettrodebole diventa forte. Dal momento che la dinamica elettrodebole regola le interazioni dei leptoni e dei quark, queste particelle si possono combinare, a energie di 1 TeV o più, in particelle composte, con nuove sorprendenti proprietà. 

Molti fisici ritengono che la forma più semplice di meccanismo di Higgs per la rottura della simmetria sia solo un'approssimazione a bassa energia della realtà. Un motivo deriva dal fatto che la particella di Higgs, ammesso che essa esista, non possiede spin. Se l'avesse, anche il campo di Higgs avrebbe uno spin e la massa di una comune particella dipenderebbe dalla sua orientazione nel vuoto. Non è mai stata osservata, invece, una simile dipendenza rotatoria.

Nella meccanica quantistica lo spin di una particella può assumere soltanto valori discreti e le particelle dotate di spin interi (0, 1, 2 e cosi via) sono nettamente distinte da quelle con spin seminteri (1/2, 3/2 e così via). Le particelle con spin interi sono dette bosoni, quindi la particella di Higgs con spin nullo è un bosone, proprio come i bosoni di gauge con spin 1 finora osservati, quale il fotone che media le interazioni fondamentali. le particelle con spin seminteri sono dette fermioni e comprendono tutti i quark e i leptoni.

Per calcolare la massa del bosone di Higgs si devono avanzare certe ipotesi sui processi fisici alle alte energie. Se il bosone di Higgs è una particella elementare, la sua massa calcolata varia notevolmente anche per piccole variazioni nelle suddette ipotesi. Questa sensibilità matematica non ha una giustificazione fisica naturale; inoltre, non è una caratteristica delle espressioni delle masse delle particelle con spin 1/2.

Alcuni teorici hanno quindi ipotizzato che si possa evitare l'ostacolo matematico e mantenere il necessario bosone di Higgs con spin 0 se il bosone è una particella composta anziché elementare, costituita da due fermioni con spin 1/2. Le particelle composte si trovano frequentemente in altri settori della fisica: per esempio, il pione con spin 0 è composto da due quark con spin 1/2. Gli spin si annullano a vicenda per formare una particella composta senza spin dal momento che i due quark ruotano in verso opposto.

Un bosone di Higgs composto richiederebbe l'esistenza di una famiglia completamente nuova di particelle pesanti con spin 1/2, i tecniquark. Queste particelle sarebbero soggette a una nuova interazione forte, l'interazione technicolor, che si può spiegare per analogia con l'interazione forte di colore che lega i quark negli adroni. I tecniquark si legherebbero non solo per formare il bosone di Higgs, ma anche per formare una pletora di altre tecniparticelle composte, quali i tecnipioni, i mesoni tecnivettori e così via. Queste nuove particelle sarebbero alquanto pesanti, ma almeno alcune dovrebbero avere masse grosso modo comprese tra 50 e 500 GeV. In acceleratori quali il Tevatron, il numero prodotto di queste particelle dovrebbe essere piccolo ed esse dovrebbero essere difficilmente distinguibili dal fondo anche se le loro masse fossero prossime all'estremità inferiore dell'intervallo previsto. Per verificare la teoria è necessario impiegare un collisore con un'energia del fascio superiore di molti TeV.

 


a cura di Pio Passalacqua 

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