Strano! La misurazione del bosone W non corrisponde al modello standard della fisica

Un decennio fa, i fisici si chiedevano se la scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider europeo avrebbe indicato una nuova frontiera oltre il Modello Standard delle particelle subatomiche. Finora non è stato così, ma una nuova misurazione di un diverso tipo di bosone in un diverso collisore di particelle potrebbe fare il trucco.

Questo è il risultato di nuove scoperte del Collider Detector del Fermilab, o CDF, uno dei principali esperimenti che ha utilizzato il collisore di particelle Tevatron presso il Fermilab del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti in Illinois. Non è ancora il momento di buttare via i libri di testo di fisica, ma gli scienziati di tutto il mondo si stanno grattando la testa sul valore recentemente riportato dal team CDF per la massa del bosone W.

I bosoni sono particelle portatrici di forza che trasferiscono quantità discrete di energia tra le particelle di materia. Ad esempio, la forza elettromagnetica è trasportata da bosoni noti come fotoni, mentre il bosone di Higgs è responsabile del trasferimento della forza che conferisce massa alle particelle.

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Il bosone W gioca un ruolo nella debole forza nucleare, che entra in gioco nel decadimento radioattivo e nella fusione nucleare, il processo che fa splendere il sole. La particella è stata scoperta decenni fa presso il centro di ricerca europeo del CERN, che ora ospita il Large Hadron Collider, e da allora la sua massa è stata oggetto di studio.

In parole povere, il bosone W si solleva circa 80 volte di un protone. Ma per i fisici, “in parole povere” non è abbastanza buono. Conoscere il peso preciso del bosone W è un grosso problema perché quel valore è preso in considerazione nelle equazioni finemente sintonizzate che sono intrecciate nel Modello Standard, una delle teorie di maggior successo nella scienza. La teoria spiega come vengono messi insieme gli atomi e le sue previsioni, inclusa la previsione dell’esistenza del bosone di Higgs, sono state ripetutamente confermate.

Eppure, c’è molto del modello standard che non spiega. Un paio di grandi aspetti hanno a che fare con la natura della materia oscura e dell’energia oscura, che insieme costituiscono oltre il 95% del contenuto dell’universo. Se c’è qualche misura che è in contrasto con il modello standard, ciò potrebbe indicare un’apertura per la revisione della teoria.

È qui che entrano in gioco i risultati della CDF, pubblicati nel numero della scorsa settimana della rivista Science: i fisici hanno analizzato enormi quantità di dati raccolti al Tevatron tra il 1985 e il 2011 e hanno ottenuto una misurazione della massa con una precisione dello 0,01%. È due volte più preciso della migliore misurazione precedente. Il Fermilab dice che è come misurare il peso di un gorilla di 800 libbre entro 1,5 once.

L’unico problema è che il gorilla di 800 libbre sembra digitare la bilancia a tre quarti di libbra in sovrappeso. Il valore atteso per la massa del bosone W era 80.357 mega elettronvolt, o MeV, più o meno 6 MeV. Il valore del CDF è 80,433 MeV, più o meno 9 MeV.

“E’ stata una sorpresa”, ha detto in un comunicato stampa Chris Hays dell’Università di Oxford, un membro del team CDF.

I ricercatori del CDF affermano che i loro risultati hanno un livello di confidenza di 7 sigma, che si traduce in una probabilità su 390 miliardi che possano essere spiegati come un colpo di fortuna statistico.

Se i risultati reggono, i fisici teorici dovranno rivolgere la loro potenza di fuoco per capire come spiegare la discrepanza. Potrebbero esserci tutti i tipi di gesti con la mano per collegare il bosone troppo ingombrante a strani fenomeni che vanno dalla materia oscura e l’energia oscura alla supersimmetria e nuovi array di particelle non ancora scoperte.

Ma è troppo presto per questo. Sebbene l’analisi statistica suoni impressionante, c’è ancora la possibilità che qualcosa abbia annullato la misurazione. Questo era il caso dell’affermazione del 2011 secondo cui i neutrini potevano viaggiare più veloci della luce. Quando questi risultati sono stati annunciati per la prima volta, i ricercatori hanno affermato un livello di confidenza quasi pari a quello che il team CDF afferma ora. Ma dopo la revisione, i ricercatori hanno riscontrato problemi nella loro configurazione sperimentale, incluso un cavo in fibra ottica che era collegato in modo errato. Quei neutrini più veloci della luce in realtà non lo erano.

Il vicedirettore del Fermilab, Joe Lykken, ha affermato che i risultati del CDF da soli non sono sufficienti per forzare un ripensamento completo del modello standard. “Anche se questo è un risultato intrigante, la misurazione deve essere confermata da un altro esperimento prima che possa essere completamente interpretata”, ha affermato.

Il co-portavoce della CDF David Toback, fisico della Texas A&M University, ha affermato che i nuovi risultati riportati rappresentano un prezioso controllo sul modello standard, indipendentemente dal fatto che finiscano per essere confermati o meno.

“Spetta ora alla comunità della fisica teorica e ad altri esperimenti dare seguito a questo e far luce su questo mistero”, ha detto. “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”.

Dai un’occhiata a questo thread di Twitter per speculazioni informate del fisico della Durham University Martin Bauer su cosa potrebbe significare un bosone W in sovrappeso per il modello standard:

Questa è una versione aggiornata di un rapporto pubblicato per la prima volta su Cosmic Log.

Immagine principale: The Collider Detector al Fermilab, visto in questa immagine mentre veniva smantellato, ha registrato collisioni di particelle ad alta energia dal 1985 al 2011. (Fonte: Fermilab via CERN)

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