Perché per spiegare la massa c'è bisogno del campo di Higgs? Il vero grande assente dovrebbe essere il gravitone: le proprietà inerziali si possono derivare dall'interazione di un corpo col suo stesso campo gravitazionale, infatti dalla necessaria ipotesi che la particella vettore del campo propaghi con velocità finita, consegue che qualsiasi spostamento infinitesimo del corpo dalla posizione di quiete avverrà nel campo relativo a questa posizione (la tendenza allo spostamento precede comunque la variazione), ovvero agiranno delle forze attrattive verso quella posizione e quindi contrastanti la variazione di moto (l'inerzia). Nel caso volessimo distinguere il caso del moto uniforme, teniamo conto che le particelle vettori del campo si muoveranno con velocità pari alla somma relativistica delle velocità, cioè le superfici equipotenziali del campo viaggiano assieme al corpo: una forza che tenda a variare il moto, avvicina il corpo a forze di gravità attrattive verso il punto nel quale tale moto porterebbe il corpo, contrastanti la variazione. (Stefano M.)
Stefano ha posto una domanda sicuramente più complicata di quello che potrebbe sembrare a prima vista, e che coinvolge concetti abbastanza avanzati di fisica delle particelle elementari. La scoperta nel 2012 del bosone di Higgs da parte degli esperimenti ATLAS e CMS al LHC del CERN, ha acceso i riflettori su questa particella che ha un ruolo decisivo nel Modello Standard delle particelle elementari anche se il meccanismo con cui questo avviene è piuttosto complesso da descrivere.
Non è quindi ancora del tutto escluso che la natura ci possa riservare alcune sorprese, e che qualche meccanismo diverso dalla semplice esistenza di una campo di Higgs sia all' origine delle masse delle particelle.
Vista la difficoltà di elaborare una risposta alla domanda di Stefano in termini semplici, si tenterà per lo meno di fornire una spiegazione intuitiva per giustificare la necessità teorica di postulare l'esistenza del campo di Higgs. Per prima cosa però, prendendo in parte spunto dalle osservazioni di Stefano, è bene precisare quello che si intende in fisica delle particelle per 'massa'. Normalmente si usa questo termine come abbreviazione del termine più preciso di 'massa a riposo' che ha un significato un pò più restrittivo del concetto di inerzia della fisica classica. Ogni particella in movimento è dotata di una certa energia, ed a questa energia è sempre associata una quantità di moto, che risulta in una tendenza ad opporsi a variazioni dello stato di moto, cioè in una certa inerzia.
Nel limite in cui la quantità di moto p di una particella tende a zero, per alcune particelle anche l'energia tende a zero . Questo è ad esempio il caso del fotone (il quanto di luce) per il quale diciamo che la massa a riposo è nulla. Per altre particelle non è così. Nel limite p -> 0 (che in questo caso corrisponde al limite in cui una particella si approssima ad uno stato di quiete rispetto all' osservatore) queste particelle conservano un valore finito della loro energia, per così dire 'intrinseca', che è relazionata con la massa a riposo m attraverso la famosa formula E = m c2 (dove c rappresenta la velocità della luce).
Ora, non ci sarebbe nessun problema ad assegnare ad una particella un valore per la sua massa dedotto direttamente dalle osservazioni sperimentali. Il problema reale è di natura del tutto differente. La base teorica più profonda del Modello Standard delle Particelle Elementari, il cui successo nello spiegare una incredibile quantità di risultati sperimentali è a dir poco sorprendente, è costituita da un principio fondamentale generalmente noto come 'invarianza locale di gauge' o 'simmetria di gauge locale'. Non potendo entrare in dettagli troppo tecnici, diremo solo che dal postulare che il comportamento della natura sia invariante rispetto a certe trasformazioni operate sui costituenti fondamentali (i campi delle particelle elementari) si possono dedurre direttamente quali forze operano fra le particelle, come pure i vari dettagli delle loro interazioni reciproche.
Ora risulta che l'introduzione di un semplice parametro m per descrivere le masse delle particelle è in contraddizione con l'esistenza di questa simmetria fondamentale (si dice che m rompe esplicitamente la simmetria di gauge) e quindi renderebbe inconsistente tutta la teoria, impedendoci di comprendere ad un livello fondamentale l'origine delle interazioni fra le particelle. Il problema può essere risolto assumendo che tutte le particelle hanno una massa intrinseca nulla, e però postulando in aggiunta l'esistenza di un campo che permea tutto lo spazio e che è dotato di alcune caratteristiche del tutto particolari, il campo di Higgs, appunto. Tutte le particelle che percepiscono la presenza del campo di Higgs (usando un termine più tecnico: che si accoppiano al campo di Higgs) acquistano una energia a riposo non nulla, che per quasi tutti gli effetti è completamente analoga ad una massa a riposo, e può quindi essere consistentemente e convenientemente descritta da un parametro m. La grande differenza è che l'accoppiamento fra le particelle ed il campo di Higgs rispetta, a livello fondamentale, la simmetria di gauge e permette quindi di spiegare simultaneamente le interazioni fondamentali fra le particelle, come pure la presenza di masse a riposo non nulle. Come ultima complicazione di un argomento già così complicato, accenneremo al fatto che la reintroduzione del parametro m ha come conseguenza che la simmetria di gauge ora non è più esplicita. Si dice che la simmetria è 'spontanemente rotta' o, con un termine meno usato ma probabilmente più appropriato, che è una 'simmetria nascosta'. Ovviamente, le particelle che non si accoppiano al campo di Higgs, come ad esempio il fotone, continuano a comportarsi a tutti gli effetti come particelle di massa a riposo nulla.
Enrico Nardi – Fisico
revisione G. Chiarelli marzo 2020