Perché gli scienziati sono preoccupati per il bosone W: “Qualcosa non va”

Il rivelatore di particelle all’interno della sala di collisione.

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Probabilmente hai sentito parlare di protoni, punti positivi che ancorano atomi. Probabilmente ti sei imbattuto in elettroni, segnali negativi che vagano attorno a quei protoni. Potresti anche aver riflettuto sui fotoni, le cose che escono dalle lampadine nella tua stanza.

Ma in questo momento, dobbiamo preoccuparci di una piccola particella strana che di solito sfugge alle luci della ribalta: il bosone W.

Insieme al suo complice, il bosone Z, il bosone W determina quella che viene chiamata la “forza debole”. Ti salverò dalla tana del coniglio di come funziona la forza debole perché coinvolge la fisica che farà esplodere le nostre menti. Fidati di me. Sappi solo che senza la forza debole, il sole smetterebbe sostanzialmente di bruciare.

Comunque, c’è un dramma con il bosone W. Secondo un articolo pubblicato giovedì sulla rivista Science, 10 anni di dati inimmaginabilmente precisi suggeriscono che la particella è più massiccia di quanto previsto dalla nostra fisica. A meno che tu non sia un fisico, a prima vista potrebbe sembrare banale. Ma in realtà è un grosso problema per… un po’ di tutto.

Più specificamente, stimola un paradosso per il Modello Standard della fisica delle particelle, una teoria consolidata e in evoluzione che spiega come si comportano tutte le particelle dell’universo: protoni, elettroni, fotoni e persino quelli di cui non sentiamo davvero parlare come i gluoni , muoni, potrei continuare. Anche il bosone W è lì dentro.

“È uno dei capisaldi del Modello Standard”, ha affermato Giorgio Chiarelli, direttore della ricerca dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, e coautore dello studio.

Ma ecco il punto cruciale del Modello Standard. È come un mondo di particelle simbiotico. Pensa a ogni particella nel modello come a una stringa, perfettamente organizzata per legare tutto insieme. Se una stringa è troppo stretta, le cose iniziano a diventare traballanti, non importa quale stringa. In quanto tale, il modello standard prevede alcuni parametri per ogni “stringa” o particella, e uno molto importante è la massa del bosone W.

In poche parole, se questa particella non è uguale a quella massa, il resto del modello non funzionerebbe del tutto. E se fosse vero, dovremmo cambiare il modello — dovremmo cambiare la nostra comprensione di come tutte le particelle dell’universo lavoro.

Bene, ricordi il nuovo giornale? Stiamo praticamente entrando nello scenario peggiore.

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Un’immagine delle particelle nel modello standard.

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Un decennio di calcoli, controlli incrociati, grattacapi e respirazione profonda di circa 400 ricercatori internazionali ha concluso che il bosone W è leggermente più pesante di quanto previsto dal Modello Standard.

“Non è una grande differenza, ma possiamo davvero vedere chiaramente che è diverso”, ha affermato David Toback, fisico delle particelle della Texas A&M University e coautore dello studio. “Qualcosa non va.”

Ti starai chiedendo se siamo sicuri di questo. La comunità scientifica ha avuto la stessa reazione, motivo per cui i ricercatori stanno ora confermando che la massa del bosone W focalizzato sul laser è davvero il caso.

“Potrebbe essere che abbiamo sbagliato”, ha detto Toback. Ma ha subito aggiunto: “Non la pensiamo così”.

È perché, come spiega Toback, il team “ha misurato questa piccola differenza con una precisione così incredibile che sporge come un pollice dolorante”. E affascinante, queste misurazioni assomigliano a una deduzione in stile scena del crimine.

Attento a ciò che manca

Per ottenere un bosone W in primo luogo, devi letteralmente distruggere due protoni insieme.

Ciò produce una serie di altre particelle del Modello Standard e gli scienziati devono solo sperare che una di queste sia quella che vogliono esaminare. (In questo caso, quello è il bosone W).

Per le nuove misurazioni, i ricercatori hanno utilizzato i dati di collisione di un acceleratore di particelle ora fuori servizio presso il themi National Accelerator Laboratory in Illinois. Per fortuna, ha prodotto alcuni bosoni W e, in effetti, conteneva dati di bosoni W sufficienti per procurarsi circa quattro volte la quantità utilizzata nelle misurazioni precedenti. Montepremi.

Ma c’è una complicazione. Il bosone W è fugace. Si divide rapidamente in due particelle più piccole, quindi non puoi misurarlo direttamente. Uno di questi è un elettrone o un muone, che Campana essere misurato direttamente, ma l’altro è probabilmente anche più strano del bosone W stesso: un neutrino.

I neutrini sono giustamente chiamati “particelle fantasma”, perché non toccano nulla. Ti stanno persino attraversando lo zoom in questo momento, ma non puoi dirlo perché non toccano gli atomi che compongono il tuo corpo. Inquietante, lo so.

Questo ostacolo spettrale significa che gli scienziati devono diventare creativi. Entra, l’arte della deduzione.

Una volta che i neutrini svaniscono, lasciano una sorta di buco. “L’impronta del neutrino manca di energia”, ha detto Chiarelli. “Questo ci dice dove è andato il neutrino e quanta energia è stata portata via”.

È più o meno lo stesso concetto di una radiografia. “La radiografia passa, ma per il punto in cui hai un pezzo di metallo, puoi vedere la forma”, ha detto Chiarelli. La “forma” è “l’energia mancante”.

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Una veduta aerea del collisore del 1999.

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Quindi, dopo aver decodificato il neutrino, gli scienziati hanno utilizzato una serie di equazioni complesse per sommarlo ai dati di elettroni o muoni. Ciò ha portato alla massa complessiva del bosone W. Questa misurazione è stata eseguita molte, molte volte per assicurarsi che tutto fosse il più preciso possibile. Inoltre, tutti i dati sono stati supportati da calcoli teorici maturati dall’ultima volta che è stato misurato il bosone W.

Eppure… c’è un’altra complicazione.

Come per tutte le attività scientifiche, non esiste una risposta giusta o sbagliata. C’è solo il Rispondere. Ma come con tutto il pensiero umano, c’è la possibilità di pregiudizi e il team non voleva cadere vittima di un errore così personale. Toback cita Sherlock Holmes per spiegare la mentalità della squadra: “Bisogna trovare teorie che si adattino ai fatti e fatti che si adattino alle teorie”.

“È più stressante?” ha osservato. “Sì, ma la natura non si preoccupa del mio stress. Quello che vogliamo è conoscere la risposta.”

Pertanto, non solo la squadra ha controllato i propri dati doppio, triplo, quadruplo, ma lo ha fatto mentre era completamente accecato alla risposta finale. Quando la scatola con il risultato della massa del bosone W è stata aperta, tutti l’avrebbero guardata per la prima volta.

Passando rapidamente all’anno 2020, quando le tensioni sono elevate, la scatola è finalmente aperta e la massa del bosone W è in chiara contesa con la previsione del Modello Standard.

“Non è stato un momento Eureka”, ha detto Chiarelli. “E ‘stato un momento piuttosto che fa riflettere. Eravamo scettici. La scienza è organizzata nello scetticismo”.

Ma col tempo, anche quello scetticismo è svanito ed eccoci qui.

Tutto questo sembra molto solido. E adesso?

In un certo senso, queste informazioni sono arrivate da molto tempo. “Sappiamo fin dall’inizio che il Modello Standard non può essere la teoria definitiva”, ha detto Chiarelli.

Ad esempio, il Modello Standard non può spiegare la gravità, la materia oscura e molti altri aspetti elusivi del nostro universo.

Un’idea è che questa nuova informazione sulla massa del bosone W potrebbe significare che dobbiamo aggiungere alcune particelle al Modello Standard per rendere conto del cambiamento. Questo, a sua volta, potrebbe avere un impatto su ciò che sappiamo sul famoso bosone di Higgs, o “particella divina”, che è stato finalmente rilevato nel 2012 e ha ricevuto un applauso sconvolgente.

“Ma non ci siamo”, ha detto Toback. “Sarebbe pura speculazione”.

E, invece di speculare, Toback e Chiarelli concordano sul fatto che dobbiamo solo seguire i fatti, anche se sappiamo che i fatti un giorno ci porteranno a una nuova teoria fondamentale della fisica delle particelle.

“È come muoversi nel buio”, ha detto Chiarelli. “Sai che c’è un modo corretto, ma non sai dove… forse la nostra misurazione può darci la giusta direzione per muoverci.”

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