Jim Baggott è autore di Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ e scrittore scientifico freelance. Era un docente di chimica all’Università di Reading, ma ha lasciato per perseguire una carriera commerciale, dove ha lavorato prima con la Shell International Petroleum Company e poi come consulente aziendale indipendente e formatore. I suoi numerosi libri includono Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005) e A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

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Il 4 luglio 2012, gli scienziati del Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra hanno annunciato la scoperta di una nuova particella elementare che credono sia compatibile con il bosone di Higgs, a lungo ricercato, noto anche come “particella di Dio”. La nostra comprensione della natura fondamentale della materia – tutto nel nostro universo visibile e tutto ciò che siamo – sta per fare un gigantesco balzo in avanti.

Allora, cos’è il bosone di Higgs e perché è chiamato la ‘particella di Dio’? Lo scrittore scientifico Jim Baggott, il cui libro Higgs: the Invention and Discovery of the ‘God Particle’, fornisce alcune di queste risposte.

Sappiamo che l’universo fisico è costruito da particelle elementari di materia (come elettroni e quark) e le particelle che trasmettono le forze tra loro (come i fotoni). Le particelle di materia hanno caratteristiche fisiche che classifichiamo come fermioni. Le particelle di forza sono bosoni.

Nella teoria quantistica dei campi, queste particelle sono rappresentate in termini di “campi” invisibili di energia che si estendono nello spazio. Pensate alle vostre esperienze d’infanzia giocando con i magneti. Quando spingi insieme i poli nord di due magneti a barra, senti che la resistenza tra di loro aumenta di forza. Questo è il risultato dell’interazione di due campi magnetici invisibili, ma comunque molto reali. La forza di resistenza che sentite mentre spingete insieme i magneti è trasportata da fotoni invisibili (o “virtuali”) che passano tra di loro.

La materia e le particelle di forza sono quindi interpretate come perturbazioni fondamentali di questi diversi tipi di campi. Diciamo che queste perturbazioni sono i ‘quanti’ dei campi. L’elettrone è il quantum del campo dell’elettrone. Il fotone è il quantum del campo elettromagnetico, e così via.

A metà degli anni ’60, le teorie quantistiche di campo erano relativamente impopolari tra i teorici. Queste teorie sembravano suggerire che i portatori di forza dovessero essere tutte particelle senza massa. Questo aveva poco senso. Una tale conclusione va bene per il fotone, che porta la forza dell’elettromagnetismo ed è effettivamente senza massa. Ma si credeva che i portatori della forza nucleare debole, responsabile di certi tipi di radioattività, dovessero essere particelle grandi e massicce. Da dove veniva allora la massa di queste particelle?

Nel 1964, quattro ricerche apparvero proponendo una soluzione. E se, suggerirono questi articoli, l’universo fosse pervaso da un diverso tipo di campo energetico, uno che punta (impone una direzione nello spazio) ma non spinge o tira? Alcuni tipi di particelle di forza potrebbero quindi interagire con questo campo, guadagnando così massa. I fotoni attraverserebbero il campo, indisturbati.

Uno di questi articoli, del teorico inglese Peter Higgs, includeva una nota che suggeriva che un tale campo potrebbe anche avere un disturbo fondamentale; un quantum del campo. Nel 1967 Steven Weinberg (e successivamente Abdus Salam) utilizzò questo meccanismo per elaborare una teoria che combinava le forze elettromagnetiche e nucleari deboli. Weinberg fu in grado di predire le masse dei portatori della forza nucleare debole – i bosoni W e Z. Queste particelle furono trovate al CERN circa 16 anni dopo, con masse molto vicine alle previsioni originali di Weinberg.

Dal 1972 circa, il nuovo campo era indicato dalla maggior parte dei fisici come campo di Higgs, e il suo quantum di campo era chiamato bosone di Higgs. Il “meccanismo di Higgs” divenne un ingrediente chiave di quello che sarebbe diventato noto come il modello standard della fisica delle particelle.

Il campo di Higgs fu inventato per spiegare come particelle di forza altrimenti prive di massa potessero acquisire massa, ma divenne presto evidente che qualcosa di molto simile è responsabile anche delle masse delle particelle di materia.

Il modo in cui il campo di Higgs interagisce con campi bosonici altrimenti privi di massa e il modo in cui interagisce con campi fermionici privi di massa non è lo stesso (quest’ultima è chiamata interazione di Yukawa, dal nome del fisico giapponese Hideki Yukawa). Tuttavia, il campo di Higgs ha chiaramente un ruolo di fondamentale importanza. Senza di esso, sia la materia che le particelle di forza non avrebbero massa. La massa non potrebbe essere costruita e nulla nel nostro universo visibile potrebbe esserlo.

Nel suo popolare libro The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?, pubblicato per la prima volta nel 1993, il fisico americano Leon Lederman (scrivendo con Dick Teresi) ha spiegato perché aveva scelto questo titolo:

Questo bosone è così centrale per lo stato della fisica di oggi, così cruciale per la nostra comprensione finale della struttura della materia, eppure così sfuggente, che gli ho dato un soprannome: la particella di Dio. Perché la particella di Dio? Per due motivi. Uno, l’editore non ci ha permesso di chiamarla Goddamn Particle, anche se questo potrebbe essere un titolo più appropriato, data la sua natura malvagia e le spese che sta causando. E due, c’è una specie di collegamento con un altro libro, molto più vecchio…

Lederman ha continuato citando un passo del Libro della Genesi.

Questo è un soprannome che continua ad essere ampiamente usato da scrittori e giornalisti di scienza popolare. È un nome che si è imposto. Alla maggior parte dei fisici sembra non piacere, poiché credono che esageri l’importanza del bosone di Higgs (è il campo di Higgs che è fondamentale). In un libro di memorie personali intitolato My Life as a Boson, Peter Higgs ha spiegato come la particella a lungo cercata abbia preso il suo nome, definendo il suo status di “particella più ricercata dalla fisica”.

“Dio” o “più ricercata”, è una particella che i fisici hanno certamente cercato disperatamente di trovare. La domanda ora è: il lavoro di Peter Higgs sarà riconosciuto in un altro modo, forse con un premio Nobel?