I fisici misurano con precisione la massa del bosone W

I fisici della collaborazione Collider Detector del Fermilab (CDF) hanno determinato la massa del bosone W, un mediatore della forza debole tra le particelle elementari, con una precisione dello 0,01%, due volte più precisa della migliore misurazione precedente. Il nuovo valore mostra tensione con il valore che gli scienziati ottengono utilizzando input sperimentali e teorici nel contesto del modello standard della fisica delle particelle elementari.

Il bosone W è la particella messaggera della forza nucleare debole. È responsabile dei processi nucleari che fanno brillare il sole e le particelle si decompongono. Credito immagine: Fermilab.

L’osservazione del bosone di Higgs al Large Hadron Collider del CERN ha convalidato l’ultimo pezzo mancante del Modello Standard.

Questo modello, che incorpora la meccanica quantistica, la relatività speciale, la simmetria di gauge e la teoria dei gruppi, attualmente descrive la maggior parte delle misurazioni della fisica delle particelle con un’elevata precisione.

Postula una serie di simmetrie stabilite sperimentalmente tra le proprietà delle particelle, che vincolano strettamente i parametri del modello dai dati sperimentali.

Data l’attuale precisione sperimentale e il potere predittivo del Modello Standard, gli adattamenti globali del modello ai dati forniscono stime precise di parametri fondamentali, come la massa del bosone W.

In quanto uno dei mediatori della forza nucleare debole, questa particella è un componente chiave della struttura del Modello Standard.

“Il numero di miglioramenti e controlli extra che sono stati apportati al nostro risultato è enorme”, ha affermato il dott. Ashutosh Kotwal, fisico della Duke University e membro della CDF Collaboration.

“Abbiamo preso in considerazione la nostra migliore comprensione del nostro rivelatore di particelle, nonché i progressi nella comprensione teorica e sperimentale delle interazioni del bosone W con altre particelle”.

“Quando abbiamo finalmente svelato il risultato, abbiamo scoperto che differiva dalla previsione del modello standard”.

“Se confermata, questa misurazione suggerisce la potenziale necessità di miglioramenti al calcolo del modello standard o estensioni del modello”.

I fisici CDF hanno lavorato per ottenere misurazioni sempre più precise della massa del bosone W per più di 20 anni.

Il valore centrale e l’incertezza della loro ultima misurazione della massa è 80.433,5 ± 9,4 MeV/c.

Questo risultato utilizza il set di dati completo raccolto dal rivelatore CDF II al Fermilab Tevatron. Si basa sull’osservazione di 4,2 milioni di candidati bosoni W, circa quattro volte il numero utilizzato nell’analisi della collaborazione pubblicata nel 2012.

“Molti esperimenti sui collisori hanno prodotto misurazioni della massa del bosone W negli ultimi 40 anni”, ha affermato il dott. Giorgio Chiarelli, fisico dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e co-portavoce della Collaborazione CDF.

“Si tratta di misurazioni impegnative e complicate e hanno raggiunto una precisione sempre maggiore”.

“Ci sono voluti molti anni per esaminare tutti i dettagli e i controlli necessari”.

“È la nostra misurazione più robusta fino ad oggi e la discrepanza tra i valori misurati e previsti persiste”.

I ricercatori CDF hanno anche confrontato il loro risultato con il miglior valore atteso per la massa del bosone W utilizzando il modello standard, che è 80.357 ± 6 MeV/c.

Questo valore si basa su complessi calcoli del Modello Standard che collegano in modo complesso la massa del bosone W alle misurazioni delle masse di altre due particelle: il quark top e il bosone di Higgs.

“Spetta ora alla comunità della fisica teorica e ad altri esperimenti dare seguito a questo e far luce su questo mistero”, ha affermato il dott. David Toback, fisico della Texas A&M University e co-portavoce della CDF Collaboration.

“Il risultato è un contributo importante per testare l’accuratezza del Modello Standard.”

“Se la differenza tra il valore sperimentale e quello atteso è dovuta a una sorta di nuova particella o interazione subatomica, che è una delle possibilità, ci sono buone probabilità che sia qualcosa che potrebbe essere scoperto in esperimenti futuri”.

I risultati vengono visualizzati nel diario scienza.

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T. Aaltonen prendi la carne. (Collaborazione CDF). Misurazione ad alta precisione della massa del bosone W con il rivelatore CDF II. scienza 376 (6589): 170-176; doi: 10.1126/science.abk1781

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