Alla ricerca del bosone di Higgs: nuova fisica al Cern?

Rocco Vilardi Dipartimento di Fisica della Materia e Ingegneria Elettronica, Università di Messina, I-98166 Messina, Italy

Dinanzi a domande ancestrali, al senso stesso delle cose, la mente dell’uomo può diventare preda di smarrimento e inquietudine. Tuttavia la ricerca scientifica, con le sue verità validate dall’esperienza e attraverso il proprio metodo, può contribuire a diminuire tale senso di incertezza. Una delle questioni più delicate, uno dei misteri che maggiormente affascinano l’uomo è la ragione stessa della materialità delle cose, del loro essere oggetti dotati di massa. Generazioni di scienziati stanno cercando di dare risposta a tale questione ipotizzando modelli e concependo esperimenti.

Lo scorso 22 luglio 2011, scienziati del CERN (European Organization for Nuclear Research) hanno presentato alla “International Europhysics Conference on High Energy Physics” (conferenza sulle alte energie organizzata dalla Società Europea di Fisica), alcuni risultati ("Measurements of Particle Production in pp-Collisions in the Forward Region at the LHC / Ruf, Thomas (CERN)"http://cdsweb.cern.ch/record/1370101/files/LHCb-TALK-2011-146.pdf) di notevole interesse che potrebbero indicare la presenza di almeno una nuova particella elementare.

All’interno dell’LHC (Large Hadron Collider), gigantesco collisore circolare di particelle dal diametro di circa 27 km, vengono fatti collidere frontalmente fasci di particelle che ruotano in senso opposto. Tali collisioni avvengono ciascuna ad energie (nel caso dei protoni) migliaia di miliardi di volte superiori rispetto all’energia di una singola particella di luce visibile. Prezioso frutto di tali scontri sono miriadi di altre particelle delle quali vengono analizzate e studiate la carica, la massa e molte altre importanti caratteristiche fisiche. Fra gli scopi principali quello di elaborare importantissime informazioni in base alle quali cercare dicomprendere le interazioni fondamentali della natura e il ruolo giocato dalle particelle coivolte.

Certamente, uno dei principali obiettivi di un tale enorme sforzo non solo tecnologico ma concettuale, computazionale e, soprattutto, energetico è la comprensione del meccanismo fisico di produzione della massa. Negli anni '60 il prof. Peter Ware Higgs propose una teoria che potrebbe consentire di spiegare per quale motivo le particelle hanno massa. Proprio alla ricerca della particella di Higgs, del bosone anche conosciuto come “particella di Dio”(1), è rivolta la massima attenzione della comunità dei fisici.

In tale contesto, l’annuncio dello scorso 22 luglio, sembra aver mandato in fibrillazione i fisici: un eccesso di 2.8 sigma nella regione di massa dei 140-145 GeV e un eccesso di circa 2 sigma verso i 250 GeV.

Il linguaggio dei fisici, monoreferenziale e privo di sfumature linguistiche per i non addetti ai lavori, può risultare molto difficile e incomprensibile: un eccesso non è nient’altro che uno scostamento (in positivo) da quanto ci si sarebbe potuto aspettare di rivelare sperimentalmente partendo dalle sole conoscenze teoriche certe in quel momento.

Un eccesso diventa significativo quando supera i 3 sigma: fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale mentre al di sopra dei 5 sigma si parla di scoperta. Per dare un’idea, 3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa (evento improbabile). Il valore 5 sigma equivale invece a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato (evento altamente improbabile).

Si tratta di una mera questione di probabilità: se un evento si ripete sempre allo stesso modo un numero molto elevato di volte allora lo si da per confermato.

Riuscire ad avere un eccesso di 5 sigma significa, quindi, ottenere lo stesso evento un numero tanto elevato di volte tali da dare la ragionevole sicurezza che, a parità di condizioni sperimentali, le medesime leggi fisiche saranno rispettate anche nel futuro.

(1) il bosone di Higgs è anche detto particella di Dio per la capacità che avrebbe di giustificare la massa delle altre particelle attraverso la sua stessa esistenza.

Evidenza e scoperta

• Si parla di scoperta oltre il livello 5 sigma.
• Fra 3 e 5 sigma si parla di evidenza sperimentale.
• 3 sigma equivale a gettare circa 8 volte consecutive una moneta ed ottenere sempre e costantemente testa – tale occorrenza è improbabile.
• 5 sigma equivale, invece, a gettare circa 20 volte una moneta ottenendo sempre lo stesso risultato – tale occorrenza è altamente improbabile
• Perché la comunità scientifica chiami “scoperta” un risultato innovativo è necessario che l’entità dei dati raccolti sia sufficientemente elevata da consentire di raggiungere un chiaro livello 5 sigma. Solo allora sarà ragionevole credere che volendo condurre il medesimo esperimento sotto le medesime condizioni sperimentali questo segua le leggi scoperte.