Bosoni di Higgs studiati con “naturalezza”

Un approccio teorico chiamato "naturalezza" ha aiutato i fisici a comprendere diversi enigmi di fisica delle particelle, ma la piccola massa del bosone di Higgs va contro questa strategia

La scoperta del bosone di Higgs, effettuata nel 2012 dal Large Hadron Collider (LHC), ha fornito delle delucidazioni sul meccanismo della rottura della simmetria elettrodebole, attraverso cui, da una forza elettrodebole unificata, scaturiscono la forza elettromagnetica e quella nucleare debole. Ma se la scoperta di Higgs ha dato delle spiegazioni in merito alla modalità con cui si verifica la rottura della simmetria elettrodebole, essa comunque lascia ancora aperta la domanda sul perchè questa rottura si verifica a circa 250 GeV – un’energia molto lontana dalle altre scale di energia tipiche della fisica delle particelle. Questo scostamento di energia, noto con il nome di problema della gerarchia elettrodebole, rappresenta ancora uno dei più grandi misteri della fisica. La domanda principale viene spesso riproposta in termini di massa di Higgs: perché il bosone di Higgs pesa 125Gev/c^2, quando una semplice previsione lo collocherebbe a 17 ordini di grandezza più in alto, vicino la massa di Planck?

I fisici delle particelle si sono già confrontati con incongruenze di questo genere, in cui parametri che sembrano strettamente correlati hanno poi dei valori che si differenziano tanto l’uno dall’altro. Un modo per affrontare questo tipo di problemi è quello di usare la strategia della naturalezza.

La naturalezza è una prospettiva teorica, secondo la quale la natura sceglie dei valori che effettivamente sono vicini tra di loro, ma ciò diventa evidente solo quando si identifica una simmetria o un altro meccanismo che spiega l’apparente discrepanza.

Utilizzando questa strategia sono stati efficacemente spiegati i valori della massa dell’elettrone e del pione, ed è stata prevista l’esistenza del quark charm. Pertanto, si potrebbe pensare che questa stessa strategia fornisca delle spiegazioni sulla massa del bosone di Higgs. Finora però non è stato così. I fisici, quindi, stanno proponendo delle strategie alternative che superano l’usuale paradigma della naturalezza.

Il paradigma di Higgs

Uno dei primi fisici ad affrontare i problemi di gerarchia è stato Paul Dirac, che rimase colpito dall’enorme differenza tra la massa del protone (circa 1 GeV/c^2) e quella di Planck (circa 10^9 GeV/c^2). Nel suo tentativo di comprendere questa gerarchia, Dirac ha creato ed elaborato una cosmologia nella quale le costanti fondamentali variavano in funzione del tempo. Sebbene la risposta fornita da Dirac si fosse rivelata sbagliata, il suo interesse per la questione era comunque giustificato. Qualche decennio dopo il lavoro di Dirac sulla gerarchia, la massa del protone fu spiegata prendendo spunti da considerazioni sulla forza forte, in particolar modo sul proprio incremento a lungo raggio, in contrapposizione a quanto succede per le altre forze. Questo comportamento, chiamato libertà asintotica, definisce la scala per la massa del protone e altri stati legati di quark.

Si sta cercando di utilizzare lo stesso meccanismo di libertà asintotica per spiegare la scala energetica della rottura della simmetria elettrodebole, una proposta definita technicolor. Tuttavia, la scoperta del bosone di Higgs fa pensare all’esistenza di un meccanismo qualitativamente differente. Il bosone di Higgs rappresenta l’eccitazione delle particelle di un campo scalare, il cui valore nel vuoto è responsabile della rottura della forza elettrodebole unificata nei suoi resti a bassa energia e fornisce la massa alle particelle fondamentali del modello standard. Ma se la simmetria elettrodebole viene rotta dal comportamento del campo di Higgs, allora il mistero si infittisce ancora di più. Il problema può essere posto in questi termini: il bosone di Higgs fornisce la massa a tutte le altre particelle, ma tutte le altre particelle forniscono massa al bosone di Higgs, attraverso delle correzioni quantistiche al termine di massa del campo scalare. Questo effetto di accumulo dovrebbe portare la massa del bosone di Higgs verso la scala di Planck, ma il bosone di Higgs non risente di questo incremento di massa in considerazione del problema della gerarchia elettrodebole.

L’essenza del problema della gerarchia è noto a chiunque abbia conoscenze di elettrodinamica. L’elettrone è circondato da un campo elettrico che, alle piccole distanze, diverge dalla carica elettronica puntiforme. All’interno di questo campo, l’energia è chiamata auto-energia, e dovrebbe dare un contributo alla massa dell’elettrone (così come le correzioni quantistiche contribuiscono alla massa del bosone di Higgs). Ma se si considerano i valori attualmente noti del raggio dell’elettrone, inferiori a 10^-18 cm, allora il contributo dell’auto-energia alla massa è più grande di 100 GeV/c^2, ovvero un milione di volte la massa a riposo dell’elettrone, il cui valore misurato è di 511 keV/c^2. Si potrebbe presumere che la massa elettronica che non proviene dal campo elettrico, in qualche modo cancelli la maggior parte del contributo dell’auto-energia, ma quel tipo di bilanciamento richiederebbe che questi valori della massa siano molto vicini l’uno all’altro, con una precisione di una parte per milione.

Una tale regolazione sembra innaturale, come se l’elettrone fosse assemblato come un orologio sensibile. Ma questa configurazione può essere evitata rendendo l’auto-energia naturalmente più piccola attraverso una variazione nel campo elettrico. Questa variazione scaturisce dalla teoria quantistica relativistica dell’elettrodinamica, la quale prevede che il campo elettrico forte, localizzato attorno alla carica elettronica, sia responsabile della formazione spontanea e del rapido annullamento della coppia virtuale elettrone-positrone. Questi cosiddetti cicli quantistici schermano la carica elettronica, modificando inoltre il campo per un valore del raggio prossimo a quello dell’elettrone. Di conseguenza, l’auto-energia si sintonizza esattamente nello stesso ordine dell’energia a riposo osservata, rendendo il risultato naturale.

Se si approfondisce l’argomento, si trova che questa spiegazione della massa elettronica si basa su una simmetria della natura. Nello specifico, l’elettrone e il positrone obbediscono a una simmetria chirale, a energie più elevate rispetto alla massa elettronica. A energie più basse, questa simmetria chirale viene rotta, il che fissa le correzioni quantistiche dell’auto-energia a un valore prossimo a quello della massa elettronica. Le spiegazioni che si basano sulla simmetria, rappresentano i primi esempi di un approccio con naturalezza. Ma esistono anche altri modi con i quali la naturalezza può risolvere un problema di gerarchia. Per esempio, la massa di un pione carico può apparire ben regolata, ma il problema scompare una volta che il pione viene trattato come una particella composta da due quark. In generale, la strategia della naturalezza dice ai fisici di essere alla ricerca della comparsa di una nuova fisica, ogni volta che la natura sembra mettere a punto i suoi parametri.

Il nodo di Higgs

E quindi, dove dovrebbe apparire la nuova fisica per risolvere il problema della gerarchia elettrodebole? I calcoli sulla massa del bosone di Higgs suggeriscono che lo scenario potrebbe cambiare a energie intorno a 500 GeV, ben all’interno dell’intervallo di energie rilevate da LHC.

Per quanto riguarda ciò che potrebbe presentarsi a questa scala, l’analogia con altri stati nel modello standard suggerisce due opzioni: la compositività e la supersimmetria. Nel primo caso, il bosone di Higgs viene considerato alla stregua di un pione, uno stato legato di particelle più leggere. In questo modo un bosone di Higgs composto sarebbe tenuto insieme da nuove interazioni forti, il che comporterebbe la comparsa di particelle aggiuntive. In alternativa, il bosone di Higgs potrebbe essere simile all’elettrone. Questa spiegazione è un pò più complessa, dal momento che la simmetria chirale che spiega la massa elettronica è una caratteristica unica dei fermioni. Ma una nuova simmetria, che mette in relazione il bosone di Higgs con un nuovo fermione, consentirebbe lo sviluppo di un meccanismo di schermatura attorno al bosone di Higgs e a questo fermione, che andrebbe a spiegare la leggerezza di entrambe le particelle. Questa simmetria che mette in relazione bosoni e fermioni è conosciuta dome supersimmetria.

Altre naturalezze

Una possibilità è che quelle simmetrie siano ancora attive, ma in una forma inattesa. In questo caso, la simmetria inattesa mette in relazione il modello standard con un modello gemello, con le proprie particelle e le proprie interazioni, che sono i riflessi speculari di quelle del modello standard. In questi scenari di bosoni di Higgs gemelli, l’unica connessione tra il modello standard e il suo gemello sono proprio i bosoni di Higgs di entrambi i sistemi. Le particelle del modello standard e le loro contrapposte speculari agiscono insieme per controllare l’auto-energia del bosone di Higgs, dando spiegazione di un pò della gerarchia tra la scala debole e quella di Panck.

I modelli con bosoni di Higgs gemelli potrebbero fornire delle evidenze sperimentali uniche. Sebbene questi modelli prevedano una miriade di nuove particelle, come un intero modello standard in prossimità della scala debole, le particelle speculari non interagiscono per mezzo delle forze del modello standard, quindi avrebbero potuto eludere il rilevamento di LHC. Anche in questo modo, potrebbero non essere del tutto invisibili. Le interazioni forti della fase speculare conducono a stati legati, come nel modello standard, dando origine a un ampio insieme di mesoni e barioni speculari. Alcune di queste particelle possono mescolarsi con il bosone di Higgs, fornendo un portale attraverso cui le particelle speculari possono essere prodotte ed eventualmente decadere in particelle del modello standard. Questi processi sono così lenti che le particelle speculari, se prodotte presso l’LHC, coprirebbero delle distanze che vanno dai centimetri ai chilometri, prima di decadere. Il rilevamento di queste particelle a lunga durata richiede uno specifico approccio per registrare e analizzare i dati all’LHC.

Un’altra possibilità è che quella simmetria non abbia alcun ruolo, ma, piuttosto, che la massa del bosone di Higgs sia determinata dinamicamente dall’evoluzione di altri campi nell’universo primordiale, similmente alla soluzione proposta da Dirac per la massa del protone. Specificatamente, questa idea presume l’esistenza di un nuovo campo, chiamato campo di rilassamento, che si comporta come un ipotetico campo di assioni, che i teorici hanno proposto come una soluzione a un problema di revisione della fisica nucleare. L’ampiezza del campo di rilassamento, che evolve lungo un potenziale in leggera pendenza nell’universo primordiale, aiuta a controllare la massa del bosone di Higgs. In altre parole, la massa del bosone di Higgs è determinata dalla combinazione dell’auto-energia proveniente dai campi del modello standard e dal valore di fondo del rilassamento, che possono essere entrambi molto grandi nell’universo primordiale. Solo quando la massa totale del bosone di Higgs diventa piccola, allora appaiono le caratteristiche del potenziale di rilassamento che causano l’arresto dell’evoluzione, fissando così la massa del bosone di Higgs al suo valore osservato.

In questo scenario dinamico, il rilassamento rappresenta l’unica nuova particella associata con il valore della scala debole, lasciando poche possibilità di segnali rilevabili dall’LHC, ma consentendo una varietà di evidenze possibili per altri esperimenti. Dipendendo dalla massa del rilassamento, queste evidenze potrebbero apparire come nuove forze a lungo raggio, densità di energia nella materia oscura, rari decadimenti di mesoni. Le attuali ricerche sugli assioni potrebbero essere sensibili ai rilassamenti, con la conseguenza che tutti i limiti posti sugli assioni si applicheranno ai rilassamenti.

Infine, può darsi che la difficoltà di trovare una soluzione di tipo naturalezza a problemi di gerarchia, sia sintomatico di qualcosa di più ampio: l’omissione della gravità nel modello standard. E’ probabile che la sintonizzazione fine della massa del bosone di Higgs sparisca in una teoria che unifica la meccanica quantistica e la gravità. Non disponiamo ancora di una teoria simile, ma i ricercatori riescono a identificare le teorie di campo quantistico che non si allineano con le previsioni della gravità quantistica. Queste teorie di inconsistenza gravitazionale si dice appartengano alla palude. Studiando i limiti della palude, i ricercatori possono utilizzare la gravità come una guida per trovare una teoria che superi il modello standard. Se succede che la massa del bosone di Higgs venga fissata da questa sorta di limiti sulla gravità, allora ci si aspetta che esistano delle nuove forze a lungo raggio e particelle di luce che si accoppiano con i bosoni di Higgs.

E’ ancora troppo presto per dire quale percorso abbia scelto di seguire la natura, tra le seguenti opzioni: naturalezza convenzionale che si nasconde dietro l’angolo, una qualsiasi altra forma di naturalezza, o qualcosa di completamente diverso. Nel frattempo, la recente proliferazione di idee che circondano il problema della gerarchia ha ampliato il panorama delle possibilità, attirando l’attenzione su una serie di nuove evidenze sperimentali da esplorare.

Fonte: physics.aps.org