Il 4 luglio 2012, nel corso di uno storico seminario al CERN di Ginevra, fu annunciata la scoperta del bosone di Higgs, l’ultimo tassello mancante del modello standard delle particelle elementari. L’esistenza di questa particella era stata postulata ben 48 anni prima, nel 1964, dal fisico britannico Peter Higgs e in modo indipendente dai belgi François Englert e Robert Brout: nei loro studi, gli scienziati introdussero un meccanismo per la generazioni delle masse delle particelle elementari, noto come “meccanismo di Higgs”, attraverso l’accoppiamento con un campo scalare, il campo di Higgs. Come risultato di tale meccanismo, il campo di Higgs descrive una particella fisica, il bosone di Higgs appunto, debolmente accoppiato con la materia e la cui massa, non predetta esattamente dalla teoria, ci si aspettava che fosse dell’ordine delle centinaia di GeV. Così, mentre tra gli anni cinquanta e la metà degli anni ottanta dello scorso secolo tutte le particelle previste del modello standard sono state via via scoperte, il bosone di Higgs è rimasto a lungo un obiettivo sperimentale considerato proibitivo.
La svolta arrivò con la costruzione dell’acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC), inaugurato nel 2008 e ideato con l’obiettivo preciso di osservare finalmente il bosone di Higgs: la scoperta annunciata nel 2012 è stata ottenuta dagli esperimenti ATLAS e CMS, con un contributo determinante dei ricercatori e delle ricercatrici dell’INFN. La prima osservazione del bosone di Higgs ha rappresentato un momento di svolta per la fisica delle particelle, chiudendo con successo mezzo secolo di ricerca delle particelle previste dal Modello Standard spostando la ricerca soprattutto nella direzione della “nuova fisica”, ossia di fisica non contemplata dal modello standard e non ancora nota, e nella verifica di dettagli non ancora ben compresi della teoria, avendo (al momento) esaurito la ricerca di particelle note previste dal modello standard.
Tuttavia, parte di queste ricerche hanno proprio l’obiettivo di determinare in modo ancora più preciso le proprietà del bosone di Higgs, come per esempio i suoi processi di decadimento (il bosone è infatti una particella estremamente instabile, tanto da decadere in particelle più leggere in una frazione infinitesima di secondo). Inoltre, le caratteristiche dello stesso bosone di Higgs potrebbero fornire indizi dell’esistenza di nuova fisica: per questo motivo, oltre che per il suo ruolo cruciale nel mosaico delle particelle elementari, sarà oggetto ancora per molto tempo di numerosi studi sia teorici sia sperimentali.
La teoria quantistica dei campi è il quadro teorico usato per descrivere le particelle elementari e prevederne il comportamento. Sviluppata a partire dagli anni ’20 del secolo scorso, la teoria quantistica dei campi unisce in un quadro coerente i principi della meccanica quantistica e della relatività ristretta.
Il Modello Standard è la teoria che descrive le particelle elementari che costituiscono la materia e le forze fondamentali.
I neutrini sono particelle subatomiche neutre ed estremamente leggere, che interagiscono debolmente con la materia: per questo motivo, riuscire a rivelarli rappresenta una sfida sperimentale molto complessa.
L’antimateria è una forma di materia molto simile alla materia ordinaria, di cui rappresenta una sorta di corrispondente speculare. Le particelle di antimateria, dette “antiparticelle”, sono infatti identiche in massa alle corrispondenti particelle, ma hanno alcuni numeri quantici (tra cui la carica elettrica) di segno opposto.
Il modello standard descrive in modo soddisfacente il comportamento delle particelle elementari e di tre delle quattro forze fondamentali della natura, tuttavia non è una teoria completa: per citare solo alcune delle sue lacune, non descrive l’interazione gravitazionale, non spiega la natura della materia oscura e dell’energia oscura, l’asimmetria tra materia e antimateria e l’oscillazione dei neutrini.