La particella sembra più pesante di quanto prescrive la teoria

La massa del cosiddetto bosone W è maggiore di quanto si pensasse, ha concluso un team di fisici dopo anni di analisi. E questo potrebbe indicare nuove particelle.

Di per sé, abbiamo una teoria che funziona bene per le particelle e le forze che agiscono tra loro: il Modello Standard. Il problema è che questa teoria non può spiegare tutto. Ad esempio, la gravità non è una di queste. E anche materia nera – la sostanza invisibile che costituisce circa l’84% dell’universo – non è composta da particelle che sono in questo modello standard.

Ecco perché è sempre molto interessante quando a la misura non sembra corrispondere al modello standard† Perché può essere una prima indicazione di particelle, forze o altri fenomeni che esulano ancora dal Modello Standard e con cui si può rispondere a una serie di domande aperte. Ultimo esempio: la massa del bosone W che, secondo il team dietro l’esperimento particellare americano CDF II, è leggermente più grande di quanto previsto dal modello standard.

particelle messaggere

Prima di tutto, di che tipo di particella stiamo parlando qui? Il modello standard contiene tre forze o tre modi in cui le particelle possono interagire tra loro. Sono la forza elettromagnetica, la forza forte (nucleare) e la forza debole (nucleare).

Per ciascuna di queste forze esistono una o più “particelle messaggere”. Ad esempio, particelle che si attraggono o si respingono a causa della variazione della forza elettromagnetica fotoni da. La forza forte è trasmessa dai cosiddetti gluoni. E le particelle messaggere di forza debole, che tra le altre cose giocano un ruolo nel decadimento radioattivo, sono i cosiddetti bosoni W e Z.

Questi sono i bosoni W. Sappiamo che deve pesare circa ottanta volte di più dei protoni e dei neutroni, le particelle che compongono i nuclei atomici. I fisici delle particelle hanno cercato di determinare sempre più precisamente quale sia questa massa per decenni.

Lo fanno con acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) vicino a Ginevra. In esso, le particelle si scontrano tra loro a velocità enorme, provocando la formazione di altre particelle. Una particella che può apparire in una tale collisione è il bosone W. Questo poi decade in una frazione di secondo in altre particelle più leggere, ma da queste altre particelle si può dedurre – con grande dolore e sforzi – cosa sia questo bosone W di breve durata deve aver pesato.

Risultato sorprendente

I fisici dietro il Collider Detector (CDF II) del Fermilab II hanno ora raggiunto quest’ultimo con una precisione doppia rispetto alle misurazioni precedenti. Hanno usato dati abbastanza “vecchi”: l’esperimento CDF ha registrato collisioni nell’acceleratore di particelle americano Tevatron, che era già andato in pensione nel 2011. Ma i dati prodotti da questa macchina sono ancora in fase di aggiornamento per l’analisi.

E in questo caso, tale analisi ha prodotto un risultato piuttosto sorprendente. Sulla base di oltre 4 milioni di collisioni di particelle che hanno prodotto bosoni W, gli scienziati CDF arrivano a una massa di 80,433 megaelettronvolt (MeV). (L’elettronvolt è l’unità di misura che i fisici delle particelle di massa amano usare. Un protone o neutrone pesa circa 1 MeV.)

Perché è pazzo? Perché puoi anche calcolare la massa del bosone W, usando il modello standard. Quindi colleghi le masse di tutti i tipi di altre particelle, come quelle del Bosone di Higgs scoperto nel 2012.e poi ottieni… 80.357 MeV.

fotoni neri

Quale potrebbe essere la causa della differenza tra la massa calcolata e quella misurata del bosone W? Ad esempio, a causa di particelle finora passate inosservate negli esperimenti, perché troppo pesanti o perché mostrano troppo poco di se stesse. “Tali particelle possono alterare la massa prevista del bosone W”, afferma il fisico delle particelle del CERN Maarten Boonekamp, ​​non coinvolto nello studio CDF.

Che tipo di particelle sono? Nel loro articolo, per inciso, la copertina della rivista scientifica Scienza, gli scienziati della CDF elencano una serie di opzioni. Forse il bosone di Higgs è segretamente costituito da particelle più piccole. O chissà, potrebbero esserci i cosiddetti “fotoni oscuri” che interagiscono a malapena con la materia ordinaria.

Ma in realtà, a questo punto non ne abbiamo idea. “È probabile che nelle prossime settimane e nei prossimi mesi appariranno dozzine di articoli teorici per indagare sulle implicazioni di questo risultato”, prevede Boonekamp.

Con cautela

Allo stesso tempo, non dovremmo essere troppo duri con noi stessi. “Il risultato di CDF è abbastanza diverso dalle misurazioni precedenti, comprese quelle della stessa CDF”, afferma Boonekamp. “La prudenza è quindi d’obbligo. E poiché è un risultato così eccezionale, che è abbastanza diverso dal modello standard, dobbiamo stare molto attenti.

Cosa potrebbe esserci dietro il risultato se non si trattasse di nuove particelle o fenomeni? Secondo Boonekamp, ​​l’analisi sperimentale del team CDF è eccezionalmente buona, ma il team utilizza calcoli teorici obsoleti. “Il team non menziona i numerosi sviluppi in quest’area negli ultimi 20-25 anni. Resta da vedere se questo sia importante per i loro risultati. Ma per il momento, è un importante punto di attenzione.

Conseguenze profonde

Un passo successivo importante è vedere se altre squadre possono confermare il risultato. Gli occhi sono principalmente sui vari esperimenti che studiano le collisioni nell’acceleratore di particelle LHC. Finora, sono ancora molto indietro rispetto al team CDF in termini di precisione, “ma stanno lavorando per raggiungere lo stesso livello”, spiega Boonekamp.

Inoltre, i dati raccolti con un altro esperimento di Tevatron, D0, potrebbero essere riconsiderati, scrivono i fisici delle particelle Claudio Campagnari e Martijn Mulders in un commento all’articolo del CDF. E i futuri acceleratori di particelle come lungo 100 chilometri Futuro collisore circolare sarà anche in grado di dire di più sulla massa del bosone W, ma questo è a lungo termine.

Per ora si tratta solo di una squadra che ha escogitato una misura sorprendente. Una misura che potrebbe avere conseguenze di vasta portata, ma che potrebbe anche essere scartata se altri fisici si precipitassero dentro.