Osservato un nuovo decadimento del bosone di Higgs

I bosoni sono una classe di particelle che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein. In particolare, tutte le particelle responsabili delle forze sono indicati con il termine bosoni. Tra questi, l’Higgs è il bosone responsabile per la massa – proprio per questo definito come “particella di Dio”.

La scoperta di questo nuovo decadimento getta una luce nuova sulla fisica quantistica e sulla materia oscura, tanto prevalente nell’Universo. È una scoperta fondamentale in quanto finora, sebbene esistano mappe dettagliate che coprono lo spettro della radiazione elettromagnetica dalle onde radio ai raggi gamma nell’universo vicino, è possibile identificare solo il 10% circa della massa prodotta dagli effetti gravitazionali osservabili.

I meccanismi di decadimento dell’Higgs

Il bosone di Higgs, o meglio il meccanismo di Higgs, fu teorizzato ed introdotto nel 1964 da Peter Ware Higgs. La rilevazione del bosone per la prima volta avvenne nel 2012 grazie agli esperimenti condotti dal Large Hadron Collider (LHD) del CERN – il più grande acceleratore di particelle al mondo. La scoperta del bosone compatibile con il bosone di Higgs valse, nell’ottobre del 2013, il conferimento del Premio Nobel per la fisica a Peter Higgs. Dalla scoperta del bosone di Higgs, gli scienziati delle Collaborazioni ATLAS e CMS hanno lavorato per determinare la caratterizzazione delle proprietà ed individuare i diversi modi in cui tale particella può decadere.

Essendo una particella instabile, il bosone di Higgs ha una vita molto breve e decade rapidamente in particelle più piccole, in accordo con il Modello Standard. Al momento della sua scoperta, si è osservato il decadimento in una coppia di fotoni – materia di cui è composta la luce. Finora gli esperimenti hanno osservato il che la particella decade in diversi tipi di bosoni, come il bosone W e Z, e nei fermioni che sono particelle pesanti. Ultima osservazione di tale disintegrazione vede la formazione di due muoni, particelle elementari simili agli elettroni ma più pesanti.

Bosone di Higgs: le nuove evidenze

Il ricercatori del CERN di Ginevra, usando i rivelatori ATLAS e CMS dello stesso LHC, hanno assistito al decadimento del bosone in due leptoni – un tipo di particella elementare che può essere caricata o neutra – e un fotone. Nello specifico, hanno trovato prove che il bosone di Higgs può decadere in un fotone e una coppia di elettroni, o in un fotone e una coppia di muoni con carica opposta. Questa disintegrazione è alquanto rara e può avvenire con tre differenti metodologie, ovvero tramite:

un bosone Z intermedio ;
un fotone virtuale;
irradiazione di un fotone allo stato finale da parte di un leptone.

Nello specifico, i fisici di ATLAS si sono concentrati sul decadimento mediato dal fotone virtuale. Questo fotone virtuale, anche noto come “fotone esterno”, decade subito in qualcosa di molto simile, qui in due leptoni. «Mentre il fotone è privo di massa, il leptone ha una massa infinitesimale, ma non pari a zero», ha spiegato James Beacham, fisico delle particelle del CERN.

L’osservazione del raro decadimento

Beacham ha aggiunto che questi due leptoni “hanno raggiunto il calorimetro molto vicini tra di loro”. Il calorimetro LHC è uno strumento che blocca le particelle formatesi a causa delle collisioni tra le stesse. Quando queste particelle vengono bloccate o “assorbite” dallo strumento, gli scienziati possono rilevarle e studiarle.

Tuttavia, la diretta osservazione di questo raro decadimento sarà possibile solo in seguito all’aggiornamento delle strutture in vista del nuovo programma LHC ad alta luminosità. Con l’avanzare della tecnologia, quindi, osservare e studiare decadimenti rari come questo diventerà una pratica comune. Ciò conferirebbe la possibilità di studiare una nuova fisica che vada oltre il modello standard.

Una finestra sul “settore oscuro”

Il modello standard, ipotizzato 50 anni fa, spiega tanti fenomeni presenti nel nostro universo ma non include la gravità e la materia oscura. La materia oscura non emette luce e non può essere osservata direttamente. Si ritiene che costituisca circa l’80% di tutta la materia nell’universo conosciuto, ma gli scienziati ancora non sanno cosa sia.

“Dobbiamo trovare una finestra o un portale dal nostro mondo in questo mondo del settore oscuro” – il quale comprende la fisica che si estende oltre il modello standard – “e giocare sperimentalmente. E uno di questi potrebbe essere il bosone di Higgs”, afferma Beacham. Questo documento “non ci fornisce ancora nuove informazioni sul portale di Higgs nel settore oscuro ma dimostra che possiamo cercare cose molto rare come questa, abbastanza facilmente”.