So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.
L'anno scorso, il quattro luglio, gli esperimenti al Large Hadron Collider hanno scoperto il bosone di Higgs. È stato un giorno storico. Non c'è dubbio che da ora in poi, il quattro di luglio verrà ricordato non come il giorno della Dichiarazione di Indipendenza, ma come il giorno della scoperta del Bosone di Higgs. Almeno qui al CERN.
But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.
Ma per me, la più grande sorpresa di quel giorno è stata l'assenza di grandi sorprese. Dal punto di vista di un fisico teorico, il bosone di Higgs è una spiegazione intelligente su come particelle elementari acquisiscano una massa, ma sembra una soluzione incompleta e poco soddisfacente. Troppe domande rimangono senza risposta. Il bosone di Higgs non condivide la bellezza, la simmetria, l'eleganza, del resto delle particelle elementari nel mondo. Per questo motivo, la maggior parte dei fisici teorici crede che il bosone di Higgs non sia tutto. Ci aspettavamo particelle nuove e fenomeni nuovi accanto al bosone di Higgs. Invece, finora i dati che ci vengono dal LHC non mostrano segnali della presenza di nuove particelle o fenomeni inattesi.
Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.
Certo, il verdetto non è definitivo. Nel 2015, il LHC raddoppierà l'energia dei protoni in collisione, e queste collisioni più potenti ci permetteranno di esplorare ulteriormente il mondo delle particelle, e certamente impareremo molto di più.
But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.
Ma per il momento, visto che non abbiamo trovato evidenze della presenza di nuovi fenomeni, supponiamo che le particelle che conosciamo oggi, compreso il bosone di Higgs, siano le uniche particelle elementari in natura, anche ad energie molto più potenti di quelle che abbiamo esplorato fino ad ora. Vediamo dove ci portano queste ipotesi. Scopriremo un risultato sorprendente e intrigante sul nostro universo, e per spiegare il mio punto, vi racconterò cos'è il bosone di Higgs. Per fare questo, dobbiamo tornare a un decimo di miliardo di secondo dopo il Big Bang. Secondo la teoria di Higgs, in quel momento, si è verificato nell'universo un evento incredibile. Lo spazio-tempo ha subito una fase di transizione. È stata una cosa molto simile alla fase di transizione che si verifica quando l'acqua si trasforma in ghiaccio al di sotto dello zero. Ma nel nostro caso, la fase di transizione non è un cambiamento del modo in cui le molecole sono disposte all'interno dei materiali, si tratta di un cambiamento interno al tessuto dello spazio-tempo.
During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
Durante questa fase di transizione, lo spazio vuoto si è riempito con una sostanza che ora chiamiamo campo di Higgs. Questa sostanza potrebbe sembrarci invisibile, ma ha una realtà fisica. È continuamente intorno a noi, proprio come l'aria che respiriamo in questa stanza. E alcune particelle elementari interagiscono con questa sostanza, acquisendo energia con questo processo. L'energia intrinseca è quella che chiamiamo la massa della particella. Scoprendo il bosone di Higgs, il LHC ha provato definitivamente che questa sostanza è reale, perché è la roba di cui è fatto il bosone di Higgs. In poche parole, questa è l'essenza della storia di Higgs.
But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.
Ma questa storia è molto più interessante. Studiando la teoria di Higgs, i fisici teorici hanno scoperto, non attraverso un esperimento ma con la forza della matematica, che il campo di Higgs non esiste necessariamente solo nella forma che osserviamo oggi. Proprio come la materia può essere liquida o solida, il campo di Higgs, la sostanza che riempie lo spazio-tempo, può esistere in due stati. Oltre al noto stato di Higgs, può esserci un secondo stato in cui il campo di Higgs è miliardi di miliardi di volte più denso di quello che osserviamo oggi, e la sola esistenza di un altro stato del campo di Higgs pone un potenziale problema. Questo perché, secondo le leggi della meccanica quantistica, è possibile avere transizione tra i due stati, anche in presenza di una barriera di energia che separa i due stati, Il fenomeno è giustamente denominato, effetto tunnel. A causa dell'effetto tunnel, potrei sparire da questa stanza e riapparire in quella accanto, praticamente attraversando il muro. Ma non vi aspettate che lo faccia di fronte a voi, perché la probabilità di poter attraversare il muro è ridicolmente bassa. Dovreste aspettare molto a lungo prima che accada, ma credetemi, l'effetto tunnel è un fenomeno reale, ed è stato osservato in molti sistemi. Per esempio, un diodo a effetto tunnel, un componente usato in elettronica, funziona grazie alle meraviglie dell'effetto tunnel.
But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
Ma torniamo al campo di Higgs. Se esiste lo stato di Higgs ultradenso, allora, per via del tunnel quantistico, potrebbe apparire improvvisamente una bolla di questo stato in un certo punto dell'universo, in un certo momento, ed è simile a quello che accade quando bollite l'acqua. Bolle di vapore contenute nell'acqua, si espandono, trasformano il liquido in gas. Allo stesso modo, una bolla dello stato di Higgs ultradenso potrebbe nascere a causa dell'effetto tunnel La bolla si espanderebbe alla velocità della luce, invadendo tutto lo spazio, e trasformando il campo di Higgs dallo stato che ci è familiare in un nuovo stato.
Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.
È un problema? Sì, è un grosso problema. Potremmo non rendercene conto nella vita quotidiana ma l'intensità del campo di Higgs è critica per la struttura della materia. Se il campo di Higgs fosse solo leggermente più intenso, vedremmo atomi restringersi, neutroni decadere all'interno di nuclei atomici, nuclei disintegrarsi, e l'idrogeno sarebbe l'unico possibile elemento chimico dell'universo. Il campo di Higgs, nello stato di Higgs ultradenso, non è leggermente più intenso di oggi, ma miliardi di volte più intenso. Se lo spazio-tempo fosse pieno di questo stato di Higgs, tutta la materia atomica crollerebbe. Non esisterebbe nessuna struttura molecolare, niente vita.
So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.
Quindi mi chiedo, è possibile che in futuro, il campo di Higgs subisca una fase di transizione e attraverso l'effetto tunnel, si trasformi in questo odioso stato ultradenso? In altre parole, mi chiedo, qual è il destino del campo di Higgs nel nostro universo? L'ingrediente critico necessario per rispondere a questa domanda è la massa del bosone di Higgs. Esperimenti al LHC hanno scoperto che la massa del bosone di Higgs è circa 126 GeV. È minuscolo espresso in unità che ci sono familiari, perché equivale a qualcosa come 10 alla meno 22 grammi, ma è enorme in termini di unità di particelle fisiche, perché equivale al peso di un'intera molecola di un componente del DNA.
So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.
Armati di questa informazione del LHC, insieme ad alcuni colleghi qui al CERN, abbiamo calcolato la probabilità che il nostro universo possa passare allo stato di Higgs ultradenso, attraverso l'effetto tunnel e abbiamo scoperto un risultato molto intrigante. I nostri calcoli hanno mostrato che il valore misurato della massa del bosone di Higgs è molto particolare. Ha il valore esatto che serve all'universo a rimanere in una situazione instabile. Il campo di Higgs è in una situazione vacillante che è durata fino ad oggi, ma che alla fine crollerà. Secondo questi calcoli, siamo come campeggiatori che accidentalmente piantano la tenda sul bordo di un precipizio. E alla fine, il campo di Higgs subirà una fase di transizione e la materia si ripiegherà su se stessa.
So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.
È così che sparirà l'umanità? Non credo. I nostri calcoli mostrano che l'effetto tunnel del campo di Higgs non si verificherà nei prossimi 10 a 100 anni, ed è un periodo lungo. È anche più lungo del tempo che serve all'Italia per formare un governo stabile.
(Laughter)
(Risate)
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.
Ciò nonostante, non ci saremo più da un pezzo. In circa cinque miliardi di anni, il nostro sole diventerà un gigante rosso, grande quanto l'orbita della Terra, e la nostra Terra sarà finita. Tra cento miliardi di anni, se l'energia oscura continuerà ad alimentare l'espansione dello spazio al ritmo attuale, non riuscirete a vedere più in là delle vostra dita, perché tutto intorno a voi si espande a un ritmo più veloce della velocità della luce. Quindi è molto improbabile che ci saremo ancora per vedere il campo di Higgs crollare.
But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.
Ma il motivo per cui mi interessa la transizione del campo di Higgs è che voglio porre una domanda: perché la massa del bosone di Higgs è così speciale? Perché è giusto tenere l'universo sull'orlo di una fase di transizione? I fisici teorici si fanno sempre domande con il "perché". I fisici teorici sono sempre interessati al perché un fenomeno funziona in un determinato modo, più che al funzionamento stesso del fenomeno. Crediamo che queste domande "perché" possano darci indicazioni sui principi fondamentali di funzionamento della natura. E infatti, una possibile risposta alla mia domanda apre letteralmente nuovi universi. Si è pensato che il nostro universo sia una bolla in un multiverso saponoso fatto di una miriade di bolle, in cui ogni bolla è un universo diverso con diverse costanti fondamentali e diverse leggi fisiche. In questo contesto, si può solo parlare della probabilità di trovare un certo valore della massa di Higgs. La chiave del mistero potrebbe essere nelle proprietà statistiche del multiverso. Sarebbe come quello che si verifica con le dune di sabbia su una spiaggia. In linea di principio, potete immaginare di trovare dune di sabbia di qualunque inclinazione su una spiaggia, eppure, l'inclinazione delle dune di sabbia sono tipicamente intorno ai 30, 35 gradi. Il motivo è semplice: perché il vento soffia sulla sabbia, la gravità la fa cadere. Di conseguenza, la grande maggioranza delle dune di sabbia ha angoli di inclinazione intorno al valore critico: prossime al crollo. Una cosa simile potrebbe accadere per la massa del bosone di Higgs nel multiverso. Nella maggior parte degli universi a bolle, la massa di Higgs potrebbe aggirarsi intorno al valore critico, prossimo al collasso cosmico del campo di Higgs, a causa di due effetti che competono fra loro, proprio come nel caso della sabbia.
My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.
La mia storia non ha una fine, perché ancora non sappiamo la fine della storia. La scienza fa progressi, e per risolvere il mistero, abbiamo bisogno di più dati, e con un po' di fortuna, il LHC aggiungerà presto nuove indicazioni a questa storia. Solo un numero, la massa del bosone di Higgs, eppure, da questo numero impariamo così tanto. Ho iniziato da un'ipotesi: che le particelle note sono tutto quello che c'è nell'universo, anche oltre i domini esplorati finora. Da questo, abbiamo scoperto che il campo di Higgs che permea lo spazio-tempo potrebbe essere sull'orlo di un collasso cosmico, pronto a crollare. Abbiamo scoperto che potrebbe essere l'indizio che il nostro universo è solo un granello di sabbia di una spiaggia gigantesca, il multiverso.
But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.
Ma non so se le mie ipotesi sono vere. La fisica funziona così: un singolo dato può indicarci la strada di nuove scoperte sull'universo o può spedirci in un vicolo cieco. Ma qualunque sia, di una cosa sono sicuro: il viaggio sarà pieno di sorprese.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)