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5 Anni dopo il bosone di Higgs
Sono passati poco più di cinque anni da quando le due importanti collaborazioni al Large Hadron Collider – CMS e ATLAS – hanno annunciato congiuntamente la scoperta di una nuova particella con proprietà mai viste prima: il bosone di Higgs.
Fu la prima particella scalare fondamentale mai scoperta, la prima particella con spin = 0, la prima particella con un’energia di riposo di 126 GeV e l’ultima particella priva di previsioni del modello standard della fisica delle particelle. Con la scoperta del bosone di Higgs, quel modello standard fu finalmente completato. Tutte le altre particelle e antiparticelle avevano precedentemente ceduto il posto al rilevamento diretto e con Higgs, ora abbiamo trovato ogni particella che possiamo prevedere dovrebbe esistere.
Eppure ci sono un numero enorme di misteri irrisolti in fisica, e oltre cinque anni dopo, LHC non ci ha mostrato nuovi indizi su ciò che verrà dopo. Ecco un riassunto di ciò che l’LHC ha e non ha trovato, e cosa significa per quello che verrà dopo.
Trovato:
*) il modello Standard è davvero, davvero buono. Ogni particella che abbiamo creato al LHC, come è decaduta, con che cosa ha interagito e quali sono le sue proprietà intrinseche puntano alla stessa conclusione: tutto ciò che abbiamo visto in un collisore è in accordo al 100% con il Modello standard . Non ci sono decadimenti esotici; non ci sono regole fondamentali violate; non vi è alcuna prova indiretta che debba essere qualcosa di più là fuori per qualsiasi particella, dall’Higgs al quark superiore ai neutrini. Nel bene o nel male, non ci sono deviazioni che abbiamo visto dal modello standard.
*) Nuovi stati legati di particelle esotiche. La regola per le particelle composite che sono fatte di quark – come il protone (su, giù, giù) e il neutrone (su, giù, giù) – è che devono essere incolori: fatti di combinazioni come 3 quark, 3 antiquark, o una combinazione quark-antiquark. Poiché i quark sono disponibili in tre colori (rosso, verde, blu) e gli antiquark sono disponibili in tre anticolori (ciano / antiruggine, magenta / antigreen, giallo / antiblu) e tutti e tre i colori (o anticolori) insieme danno una combinazione incolore aspettatevi barion (3 quark), antibaryon (3 antiquark) e mesoni (coppie quark / antiquark) per esistere. Ma stiamo anche iniziando a trovare gli stati del tetraquark (2 quark / 2 antiquark) e pentaquark (4 quark / 1 antiquark)! Questa è una grande vittoria per la cromodinamica quantistica: la teoria delle interazioni forti. Ma, ancora, queste sono tutte previsioni che provengono dal Modello Standard e niente di più.
*) Decadimenti da violazione CP. Certo, li avevamo già visti in piccole quantità, ma l’LHC ci sta portando prove di violazione addizionale di CP in particelle composte che coinvolgono i quark di strano, di fondo o di fascino. La violazione di CP è una misura di come le particelle si comportano diversamente, in certi modi, dalle loro antiparticelle. Una delle intriganti differenze è che se le particelle possono decadere attraverso due percorsi diversi, le loro antiparticelle devono decadere dalle controparti anti-pathway, ma possono preferire un percorso rispetto all’altro in un modo diverso da quello che le particelle preferiscono. La quantità di violazione CP in particolare nei b-quark è più grande di quanto ci aspettassimo, il che potrebbe essere importante per le differenze materia / antimateria nell’universo.
*) Conservazione corrente neutra. Si trattava di un’enorme previsione del modello standard che vincola fortemente molte estensioni oltre il modello standard. Se potessi trasformare un quark di fondo in uno strano quark o down, un top in un charm o quark up, o un tau in un muone o un elettrone attraverso lo scambio di un bosone neutro (come lo Z0), quello sarebbe un esempio di una corrente neutra che cambia il sapore. Il modello standard vieta questi; esistono solo nelle teorie che aggiungono ulteriori particelle e interazioni, come le teorie di grande unificazione. Finora, tutte le correnti neutre sono ancora mostrate come conservate, una grande vittoria per il modello standard. Ciò potrebbe deludere alcune persone che hanno investito molto in particolari varianti della fisica del modello standard, ma capire meglio l’universo è una buona notizia per i fisici di tutto il mondo.
Non trovato:
+) nessuna prova per particelle aggiuntive. Non c’è questo rivestimento zuccherino: questa è stata forse la più grande speranza della maggior parte dei fisici. Nuove particelle su scale tra 100 GeV e ~ 2 TeV erano fortemente sperate, e in varie occasioni, alcune prove statisticamente suggestive emersero per alcuni candidati. Sfortunatamente, con dati sempre migliori, questa prova provvisoria è evaporata, e ora, con Run I e Run II completati, non ci sono nemmeno buoni suggerimenti su dove possa essere una nuova particella.
+) Supersimmetria. Dimensioni extra Creazione diretta di materia oscura. Queste erano le grandi speranze teoriche che molti avevano per l’LHC, e non solo gli sforzi di rilevamento diretto non sono stati fatti al LHC, ma molti (o anche la maggior parte) dei modelli che sono stati progettati per risolvere alcuni dei maggiori problemi (come il problema di gerarchia) in fisica sono stati esclusi. La natura potrebbe ancora avere particelle supersimmetriche, dimensioni extra o materia oscura basata su particelle, ma le versioni più promettenti di queste estensioni alla teoria non sono riuscite a presentarsi all’LHC. Potrebbero ancora, naturalmente, ma non ci sono nemmeno prove indirette che suggeriscano che ulteriori dati li rivelino alle energie del LHC.
+) Una risposta al problema della bariogenesi. Esiste una nuova fisica che accade alla scala elettrodebole? C’è speranza per il meccanismo Affleck-Dine? Se uno di questi è corretto, l’LHC potrebbe rivelare questi potenziali suggerimenti. La mancanza di tali suggerimenti ci dice che l’origine dell’asimmetria materia / antimateria può esistere in uno scenario diverso, come la leptogenesi o attraverso l’esistenza di bosoni superpesanti, ma c’è ancora molta fisica in scala TeV da esplorare. Con i precedenti accenni di molto più violazioni CP nel settore dei b-quark di quanto avessimo capito, l’LHC potrebbe ancora gettare luce su questo grande problema irrisolto in fisica.
Ma ecco la cosa più grande da ricordare sull’LHC: anche cinque anni dopo aver scoperto il bosone di Higgs, abbiamo raccolto solo il 2% circa dei dati che raccoglierà nel corso della sua vita. Se ci sono insoliti decadimenti, particelle aggiuntive, nuova fisica alla scala elettrodebole, un accoppiamento tra particelle pesanti e nuova fisica (neutrini sterili, il settore oscuro, materia esotica / non scoperta), ecc. avremo 50 volte più dati arrivando nei prossimi 15-20 anni a cercarlo.
La più grande preoccupazione, forse, è che qui ci sia una fisica nuova e interessante, ma poiché possiamo solo risparmiare circa lo 0,0001% dei dati di collisione, stiamo inconsapevolmente gettandolo via.
Molti fisici sono comprensibilmente preoccupati del fatto che l’LHC non abbia ancora dimostrato prove per la fisica al di là del Modello Standard e che il bosone di Higgs stesso stia deprimente in linea con esattamente quello che queste previsioni ben stabilite indicherebbero.
Ma questa non dovrebbe essere una sorpresa! Sappiamo già che la fisica è al di là del modello standard e sappiamo che non è facile da trovare.
Come Tim Gershon ha scritto nel Corriere del CERN:
Finora il bosone di Higgs sembra davvero simile a quello di SM, ma è necessaria una certa prospettiva. Ci sono voluti più di 40 anni dalla scoperta del neutrino alla realizzazione che non è privo di massa e quindi non è simile a SM; affrontare questo mistero è ora una componente chiave del programma globale di fisica delle particelle. Passando alla mia principale area di ricerca, il beauty quark – che ha raggiunto il suo 40esimo compleanno l’anno scorso – è un altro esempio di una particella di vecchia data che ora fornisce interessanti spunti di nuovi fenomeni … Uno scenario elettrizzante, se queste deviazioni dal La SM è confermata, è che il nuovo panorama della fisica può essere esplorato attraverso i microscopi sia di tipo b che di Higgs.
Ci sono tutti i motivi per essere ottimisti, dal momento che l’LHC produrrà tonnellate di b-mesoni e b-barioni, così come più bosoni di Higgs di ogni altra fonte di particelle combinata. Certo, il più grande passo avanti che potremmo sperare sarebbe la scoperta di una nuova particella e la prova di una delle grandi scoperte teoriche che hanno dominato la fisica delle particelle negli ultimi decenni: supersimmetria, dimensioni extra, technicolor o unificazione unificata. Ma anche in assenza di ciò, c’è molto da imparare, a livello fondamentale, su come funziona l’Universo. Ci sono molti indicatori che la natura gioca con regole che non abbiamo ancora scoperto appieno, e questa è una motivazione più che sufficiente per continuare a cercare. Abbiamo già la macchina, e i dati saranno presto in una quantità senza precedenti. I nuovi suggerimenti che si nascondono alla scala TeV saranno presto a portata di mano.
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