Il bosone scalare

L’elaborazione del Modello Standard è stata uno dei successi più importanti della fisica del XX secolo. Fino ad un decennio fa, mancava però la verifica sperimentale di una delle particelle più affascinanti e fondamentali di tutto il modello: il bosone scalare o bosone di Higgs, ipotizzato nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs.

Il bosone scalare gioca nel Modello Standard un ruolo unico: è responsabile in assoluto delle interazioni con le altre particelle fondamentali, interazioni così frequenti che quest’ultime derivano da esse la loro massa inerziale. Cerchiamo di capire come avviene questo processo fondamentale che conferisce la massa a tutti gli oggetti che ci circondano, noi compresi.
E partiamo dalla nozione di spin. Ogni particella fondamentale oltre ad essere caratterizzate per massa, energia e velocità ruotano anche su se stesse, un po’ come una trottola, portandosi dietro un ben definito e costante momento angolare. Il momento angolare (dal latino “momentum”, movimento)  è una grandezza fisica di tipo vettoriale che rappresenta la quantità che si conserva se un sistema fisico è invariante sotto rotazioni spaziali; costituisce l’equivalente per le rotazioni della quantità di moto per le traslazioni.

Se lo spin assume un valore intero 1 o 2 ad esempio, la particella è un bosone, se invece assume un valore frazionario la particella viene definita come un fermione. Le particelle fondamentali mediatrici di forza hanno tutte spin intero. L’esempio più didascalico è il fotone, la particella mediatrice della forza elettromagnetica che appunto ha spin uguale ad 1. Per quanto riguarda invece i bosoni Z°, W+ e W- mediatori della forza nucleare debole anche il loro spin è uguale ad 1 così come per i gluoni, mediatori della forza nucleare forte. Il gravitone, mediatore della forza gravitazionale (particella per altro ancora non osservata sperimentalmente) secondo il Modello Standard ha uno spin pari a 2. Completa il quadro il bosone scalare che è l’unico caso di particella fondamentale con spin uguale a 0.

L’elemento che lo distingue da tutte le altre particelle è che il campo del bosone scalare ha invece uno spin diverso da 0. Come sappiamo tutte le particelle sono vibrazioni di un campo quantico fondamentale. A differenza degli altri il campo del bosone scalare o campo di Higgs permea l’intero spaziotempo con un valore tangibile e concreto diverso da 0.

Questa caratteristica produce una conseguenza straordinaria sulle altre particelle. Prendiamo ad esempio la più semplice particella di materia: l’elettrone. Il valore del campo di un elettrone nello spazio è quasi dovunque pari a 0, il campo diventa diverso da 0 solo in presenza di un elettrone reale, ovvero di una piccola vibrazione d’onda al disopra del valore medio del campo che per l’appunto è 0.

Il campo del bosone scalare è invece uniformemente diverso da zero in tutto lo spaziotempo, di conseguenza tutte le particelle che si propagano nell’universo entrano in continua interazione con esso, subendo un rallentamento. In assenza di queste continue interazioni tutte le particelle viaggerebbero, infatti, come i fotoni, alla velocità della luce.

Invece procedono a zig zag tra un’interazione con il bosone scalare ed un’altra, che si traduce non soltanto in un rallentamento della loro velocità ma anche per tutte le particelle di materia nella formazione della loro massa inerziale. La conseguenza di questo processo è che la massa non è una caratteristica intrinseca delle particelle ma il prodotto delle innumerevoli interazioni con il bosone scalare.

Per questo si afferma che il bosone di Higgs conferisce la massa alle particelle elementari garantendo inoltre la consistenza del Modello standard, che senza di esso porterebbe a un calcolo di probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.