"Puoi farlo rapidamente, puoi farlo a buon mercato o puoi farlo bene. L'abbiamo fatto bene". Queste sono state alcune delle osservazioni di apertura di David Toback, leader del Collider Detector del Fermilab, mentre annunciava i risultati di un esperimento decennale per misurare la massa di una particella chiamata bosone W.
Sono un fisico delle particelle ad alta energia e faccio parte del team di centinaia di scienziati che hanno costruito e gestito il Collider Detector al Fermilab nell'Illinois, noto come CDF.
Dopo trilioni di collisioni e anni di raccolta di dati e analisi dei numeri, il team CDF ha scoperto che il bosone W ha una massa leggermente superiore al previsto . Sebbene la discrepanza sia minima, i risultati, descritti in un articolo pubblicato sulla rivista Science il 7 aprile 2022, hanno elettrizzato il mondo della fisica delle particelle . Se la misurazione è corretta, è ancora un altro forte segnale che ci sono pezzi mancanti nel puzzle della fisica su come funziona l'universo.
Una particella che trasporta la forza debole
Il modello standard della fisica delle particelle è l'attuale migliore struttura scientifica per le leggi fondamentali dell'universo e descrive tre forze fondamentali : la forza elettromagnetica, la forza debole e la forza forte.
La forza forte tiene insieme i nuclei atomici. Ma alcuni nuclei sono instabili e subiscono un decadimento radioattivo, rilasciando lentamente energia emettendo particelle. Questo processo è guidato dalla forza debole e dall'inizio del 1900 i fisici hanno cercato una spiegazione del perché e del come gli atomi decadono.
Secondo il Modello Standard, le forze sono trasmesse dalle particelle. Negli anni '60, una serie di scoperte teoriche e sperimentali propose che la forza debole fosse trasmessa da particelle chiamate bosoni W e Z. Ha anche postulato che una terza particella, il bosone di Higgs, è ciò che dà massa a tutte le altre particelle, inclusi i bosoni W e Z.
Dall'avvento del Modello Standard negli anni '60, gli scienziati si sono fatti strada lungo l'elenco delle particelle previste ma non ancora scoperte e ne hanno misurato le proprietà. Nel 1983, due esperimenti al CERN di Ginevra, in Svizzera, hanno catturato la prima prova dell'esistenza del bosone W. Sembrava avere la massa all'incirca di un atomo di medie dimensioni come il bromo.
Negli anni 2000 mancava solo un pezzo per completare il modello standard e legare tutto insieme: il bosone di Higgs. Ho aiutato a cercare il bosone di Higgs in tre esperimenti successivi e alla fine lo abbiamo scoperto nel 2012 al Large Hadron Collider del CERN.
Il modello standard era completo e tutte le misurazioni che abbiamo effettuato erano perfettamente in linea con le previsioni.
Misurare i bosoni W
Testare il modello standard è divertente. Basta schiacciare le particelle insieme a energie molto elevate. Queste collisioni producono brevemente particelle più pesanti che poi decadono in particelle più leggere. I fisici utilizzano rivelatori enormi e molto sensibili in luoghi come il Fermilab e il CERN per misurare le proprietà e le interazioni delle particelle prodotte in queste collisioni.
In CDF, i bosoni W vengono prodotti circa uno su 10 milioni di volte quando un protone e un antiprotone si scontrano. Gli antiprotoni sono la versione antimateria dei protoni, con esattamente la stessa massa ma carica opposta. I protoni sono costituiti da particelle fondamentali più piccole chiamate quark e gli antiprotoni sono costituiti da antiquark. È la collisione tra quark e antiquark che crea i bosoni W. I bosoni W decadono così velocemente che è impossibile misurarli direttamente. Quindi i fisici tengono traccia dell'energia prodotta dal loro decadimento per misurare la massa dei bosoni W.
Nei 40 anni trascorsi da quando gli scienziati hanno rilevato per la prima volta le prove del bosone W, esperimenti successivi hanno ottenuto misurazioni sempre più precise della sua massa. Ma è solo dopo la misurazione del bosone di Higgs, poiché dà massa a tutte le altre particelle, che i ricercatori hanno potuto confrontare la massa misurata dei bosoni W rispetto alla massa prevista dal Modello Standard . La previsione e gli esperimenti sono sempre combacianti, fino ad ora.
Inaspettatamente pesante
Il rivelatore CDF del Fermilab è eccellente per misurare accuratamente i bosoni W. Dal 2001 al 2011, l'acceleratore ha scontrato protoni con antiprotoni trilioni di volte, producendo milioni di bosoni W e registrando quanti più dati possibile da ogni collisione.
Il team del Fermilab ha pubblicato i risultati iniziali utilizzando una frazione dei dati nel 2012. Abbiamo riscontrato che la massa è leggermente diversa, ma vicina alla previsione. Il team ha quindi trascorso un decennio ad analizzare scrupolosamente l'intero set di dati. Il processo ha incluso numerosi controlli incrociati interni e ha richiesto anni di simulazioni al computer. Per evitare qualsiasi distorsione che si insinuasse nell'analisi, nessuno poteva vedere alcun risultato fino al completamento del calcolo completo.
Quando il mondo della fisica ha finalmente visto il risultato il 7 aprile 2022, siamo rimasti tutti sorpresi. I fisici misurano le masse delle particelle elementari in unità di milioni di elettronvolt, abbreviate in MeV. La massa del bosone W è risultata essere 80.433 MeV , 70 MeV in più rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. Questo può sembrare un piccolo eccesso, ma la misurazione è accurata entro 9 MeV. Questa è una deviazione di quasi otto volte il margine di errore. Quando io e i miei colleghi abbiamo visto il risultato, la nostra reazione è stata un clamoroso "wow!"
Cosa significa per il modello standard
Il fatto che la massa misurata del bosone W non corrisponda alla massa prevista all'interno del Modello Standard potrebbe significare tre cose. O la matematica è sbagliata, la misurazione è sbagliata o c'è qualcosa che manca nel Modello Standard.
Innanzitutto, la matematica. Per calcolare la massa del bosone W, i fisici usano la massa del bosone di Higgs. Gli esperimenti del CERN hanno consentito ai fisici di misurare la massa del bosone di Higgs entro un quarto per cento. Inoltre, i fisici teorici hanno lavorato per decenni sui calcoli della massa del bosone W. Sebbene la matematica sia sofisticata, la previsione è solida e non è probabile che cambi.
La prossima possibilità è un difetto nell'esperimento o nell'analisi. I fisici di tutto il mondo stanno già esaminando il risultato per cercare di bucarlo. Inoltre, futuri esperimenti al CERN potrebbero eventualmente ottenere un risultato più preciso che confermerà o confuterà la massa del Fermilab. Ma a mio parere, l'esperimento è una misura valida quanto è attualmente possibile.
Ciò lascia l'ultima opzione: ci sono particelle o forze inspiegabili che causano lo spostamento verso l'alto della massa del bosone W. Anche prima di questa misurazione, alcuni teorici avevano proposto potenziali nuove particelle o forze che avrebbero portato alla deviazione osservata. Nei prossimi mesi e anni, mi aspetto una serie di nuovi articoli che cercheranno di spiegare la massa sconcertante dei bosoni W.
Come fisico delle particelle, sono fiducioso nel dire che ci deve essere più fisica in attesa di essere scoperta oltre il Modello Standard. Se questo nuovo risultato reggerà, sarà l'ultimo di una serie di risultati che dimostrano che il modello standard e le misurazioni del mondo reale spesso non corrispondono. Sono questi misteri che forniscono ai fisici nuovi indizi e nuove ragioni per continuare a cercare una comprensione più completa della materia, dell'energia, dello spazio e del tempo.
John Conway è un fisico sperimentale delle particelle ad alta energia ed è attualmente impegnato in due grandi esperimenti: CDF al Fermilab Tevatron a Batavia, Illinois, e CMS al Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, Svizzera. Riceve finanziamenti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation degli Stati Uniti.
Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Potete trovare l' articolo originale qui .
