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0474. Sulla connessione fra Higgs e la gravità

higgs gravitConsiderando che l'interazione con il campo di Higgs "genera" la massa nelle particelle e che la massa di un corpo rientra nelle equazioni gravitazionali, che relazione c'è fra il campo di Higgs e il campo gravitazionale?

sem esperto verde

La domanda è lecita perché deriva dal combinare, con perdonabile ingenuità, due concetti: da un lato, l’idea semplice che nella popolarizzazione della scienza si cerca di trasmettere sul campo di Higgs (il campo di Higgs "genera" la massa nelle particelle), dall’altro, una delle poche certezze di Fisica con cui si esce dal liceo: la gravità agisce sui corpi in modo proporzionale alla loro massa e dunque la massa di un corpo rientra nelle equazioni gravitazionli.
Ma la realtà è più complicata e questa combinazione porta totalmente fuori strada! La risposta breve è che non tutta la massa viene dal campo di Higgs e che il campo gravitazionale, come ce lo spiega Einstein, non è legato alla massa, ma a qualcosa di più complicato che tiene in conto l’energia e l’impulso di ogni particella.
Partendo da concetti di base, osserviamo che la massa di un corpo compare nelle equazioni gravitazionali à la Newton, scritte nel 1600. Ma Einstein ci ha insegnato, all’inizio del 1900 (prima ancora che venisse scoperto il protone e determinata la sua massa!), che la teoria di Newton funziona bene per corpi che si muovono lentamente, mentre va rivista e complicata per particelle che viaggino a velocità (c) vicine a quella della luce. Di conseguenza, per descrivere l’effetto della gravità non si usa la massa di un corpo, ma un cocktail fra IMPULSO p=mv e MASSA a riposo, dato dall’energia E=pc+mc2. Per questo anche particelle prive di massa come i fotoni, che trasportano i segnali elettromagnetici, ed i gluoni, loro parenti che agiscono da collante per i quarks nei nuclei, partecipano ai fenomeni gravitazionali attraverso la loro energia. Dunque la legge di Newton, in cui l’attrazione gravitazionale fra due corpi è proporzionale al prodotto delle loro masse m1 m2, è stata corretta da Einstein in una regola in cui compare il prodotto delle loro energie, E1 E2 . Non c’è contraddizione fra Newton ed Einstein perché per un corpo che si muove piano, v<<c, la parte di energia portata dalla massa prevale su quella portata dall’impulso, dall’impulso, pc<<mc2.

Pianeti e satelliti per esempio si muovono piano intorno al Sole rispetto alla velocità della luce, per cui la teoria di Newton funziona bene per prevedere i loro moti.

In una descrizione più completa della Relatività, le equazioni del campo gravitazionale di Einstein, necessarie per trattare situazioni più generali, non si basano dunque direttamente sulla massa di un corpo ma su una mistura di energia ed impulso la cui presenza genera la curvatura dello spazio-tempo: questa è ciò che esprime per bene l’effetto della gravità, costringendo i corpi a certe traiettorie invece di altre. Queste equazioni sono adatte a descrivere qualsiasi corpo attraverso la sua energia, qualunque sia la sua velocità rispetto a noi che lo osserviamo.
Quale relazione speciale esiste allora fra il campo gravitazionale, come descritto da Einstein, ed il campo di Higgs? Praticamente nessuna…. Infatti, nel modo approssimativo in cui esso viene presentato come il generatore della massa, si mettono sotto il tappeto alcuni fatti importanti:
Il campo di Higgs fornisce la massa a particelle elementari come quarks, elettroni, neutrini, bosoni vettori W e Z,… ma per esempio non basta a spiegare l’origine della massa di un banale protone, all’interno del quale sono confinati i quarks e dove esistono fenomeni legati alla cromodinamica quantistica non ancora totalmente chiariti, o di qualsiasi corpo macroscopico fatto di tanti atomi, dunque di tanti protoni e neutroni. Per non parlare del fatto che siamo ancora piuttosto confusi su chi fornisca la massa all’Higgs stesso, che è stata determinata essere 125 GeV/c2 ma che potrebbe avere origine da molteplici ed ancora misteriose fonti, la cui comprensione dipenderebbe dall’evoluzione cosmologica e da un ipotetico modello unificato di tutte le interazioni fondamentali che oggi costituisce una frontiera della ricerca. Higgs non ci spiega poi di cosa è composta la materia oscura, che fornisce la maggior parte della massa al nostro Universo ed in particolare alla nostra galassia. Ed infine, nello stesso spirito, Higgs non ci spiega l’enorme massa concentrata entro l’orizzonte dei buchi neri, che per quanto ne sappiamo potrebbe essere costituita dalla pura energia di particelle a massa nulla o da materia ordinaria per la quale solo una minima parte della massa è spiegata dall’Higgs, o da chissà cosa. Sorvoliamo poi su modelli in cui il bosone di Higgs ha dei fratelli o una struttura compostaQuindi la conclusione è che non esiste una relazione speciale fra campo di Higgs e gravità, perché il campo di Higgs non è l’unico responsabile della massa dei corpi macroscopici, anche se la fornisce alla più parte delle particelle elementari. La gravità nella versione moderna descritta da Einstein è legata ad energia ed impulso e non alla massa ed agisce universalmente, indipendentemente dal campo di Higgs che dal suo punto di vista è una particella come le altre!

Anna Ceresole, fisico 

 ultimo aggiornamento settembre 2018

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