Oltre il modello standard? Ecco cosa significa un bosone W pesante per il futuro della fisica

La copertina dell’attuale numero di scienzala rivista di punta di 142 anni dell’American Association for the Advancement of Science, e una delle migliori riviste accademiche peer-reviewed al mondo, riesce a trasmettere una scoperta di successo contenuta nelle sue pagine.

Una grossa “W” di cemento si trova sopra i resti frantumati di un tavolo che aveva riassunto ordinatamente il complesso schema di 17 particelle che la maggior parte dei fisici ritiene siano i mattoni di base della materia.

Sotto l’immagine sono riportate le parole “Peso massimo: la massa del bosone W misura più del previsto”.

Il numero dell’8 aprile di scienza.

La scoperta sta ottenendo il trattamento di Muhammad Ali perché la teoria rappresentata dal tavolo frantumato – il modello standard della fisica delle particelle – è “in ogni caso, la teoria scientifica di maggior successo di tutti i tempi”, secondo il fisico teorico dell’Università di Cambridge David Tong. “[It] fornisce la risposta corretta a centinaia di migliaia di esperimenti, in alcuni casi con una precisione senza precedenti nella scienza”.

Ma questa volta non è stato così.

L’interessante ingegneria si è incontrata con il fisico delle particelle Ashutosh Kotwal l’autore senior del documento, per scoprire perché la scoperta è un grosso problema e come il suo team ha realizzato una tale prodezza di ingegneria.

La fisica elementare ha guidato la ricerca all’avanguardia

Se vuoi un’indicazione di quanto tempo è necessario per il calcolo dei numeri e il doppio controllo richiesto dalla fisica moderna, considera questo. I dati alla base di questo nuovo articolo straordinariamente provocatorio sono stati raccolti più di un decennio fa.

Tra il 2002 e il 2011, i ricercatori del Fermilab del Dipartimento dell’Energia hanno inviato particelle subatomiche in corsa attraverso un acceleratore di particelle chiamato Tevatron. Il loro compito era prestare molta attenzione a ciò che accadeva subito dopo che le particelle si erano schiantate l’una contro l’altra. Ancora e ancora e ancora.

“Quando i protoni e gli antiprotoni si scontrano, molte particelle volano via”, dice Kotwal. “In ogni data collisione, forse 30 particelle stanno volando fuori, forse 50 particelle stanno volando fuori. Vuoi misurare l’energia, la posizione e la direzione di ognuno di loro”, ha spiegato.

Mentre gli esperimenti erano in corso, Tevatron era l’acceleratore di particelle più potente al mondo. Questa era l’avanguardia assoluta della scienza, ma i ricercatori si fidavano dei concetti della fisica elementare.

“Se apri un libro di testo di fisica per studenti universitari, dice che le particelle cariche vanno in cerchio quando [they] attraversare un campo magnetico. Quindi quello che puoi fare è… mettere uno strato dopo l’altro di sensori di posizione [in the particle accelerator]. Quindi, quando una particella carica passa, registra dove è andata la particella”, dice Kotwal.

Quei sensori hanno registrato risme di dati che i computer possono interpretare, una specie di connessione high-tech di punti. Ma invece di disegnare una linea bidimensionale di una bella rana, questi modelli producevano cerchi le cui dimensioni precise contenevano informazioni preziose.

“È una fisica da manuale che se riesci a misurare con precisione il raggio di quel cerchio e se conosci con precisione l’intensità del campo magnetico, puoi combinarli in una semplice formula [to determine] l’energia della particella”, ha spiegato.

Lo studio delle particelle subatomiche richiede una precisione incredibile

I ricercatori hanno utilizzato circa 30.000 sensori per misurare i raggi di questi cerchi. Dal momento che misurare qualcosa di così minuscolo come una particella subatomica dipende dall’ottenere quelle misurazioni giuste, è assolutamente essenziale sapere esattamente, con un livello di precisione richiesto in quasi tutte le altre circostanze, dove si trova ciascun sensore.

Kotwal e il suo team hanno fatto affidamento su una fonte naturale di particelle – i raggi cosmici – per aiutarli ad allineare i loro sensori in modo più accurato che mai. La Terra è costantemente bombardata da frammenti di atomi ad alta energia che provengono dalle esplosioni di supernova (e forse anche da altri luoghi, anche se gli scienziati non ne sono del tutto sicuri). Alcune di queste particelle sono protoni. Quando entrano in collisione con gli atomi nell’alta atmosfera terrestre, i protoni si rompono per formare particelle subatomiche chiamate muoni, che sono della stessa classe degli elettroni ma circa 200 volte più grandi (Sia i muoni che gli elettroni sono tra i 17 costituenti del Modello Standard).

Questi muoni si muovono quasi alla velocità della luce e sono incredibilmente abbondanti. Se tieni la mano parallela al suolo, in media un muone lo attraverserà ogni secondo. Ciò significa che passavano costantemente attraverso Tevatron.

“Li trattiamo come linee rette [and] usa quelle linee per allineare i nostri sensori”, afferma Kotwal.

“Dimostriamo che potremmo allinearli con una precisione di un micron ciascuno. In passato erano tre o quattro micron”, dice. Per riferimento, una ciocca di capelli ha uno spessore di circa 100 micron.

I ricercatori hanno apportato più di una dozzina di tali miglioramenti durante l’ultima volta che hanno eseguito questo tipo di esperimento. “Descriviamo ognuno di loro, quale impatto ha avuto e perché… rispetto all’ultima volta”, dice.

Come si inserisce questa scoperta nel quadro più ampio?

Le leggi della natura in cui credevano i fisici avrebbero avuto un senso (più o meno) anche per i non fisici fino al 1900 circa. Quindi, due idee completamente controintuitive – la meccanica quantistica e la relatività – irrompono sulla scena e hanno permesso previsioni così accurate che i fisici seri non aveva altra scelta che prenderli sul serio.

Più di un secolo dopo, i ricercatori sono ancora alla ricerca di un modo per unire queste teorie in una perfetta “teoria del tutto”. Ma un secolo fa, il fisico Paul Dirac si avvicinò. Ha “messo insieme una teoria congiunta” che combinava i principi dei due approcci, afferma Kotwal.

All’inizio, c’erano prove che il suo approccio di usare la matematica per trovare verità profonde sulla natura della materia stava dando i suoi frutti.

“Una delle cose fantastiche emerse dal lavoro di Dirac è stata la previsione che qualcosa come l’antimateria dovrebbe esistere”, dice. Questa previsione proveniva da equazioni che implicavano che una particella deve avere una particella corrispondente che è il suo specchio opposto.

“E abbastanza presto l’antielettrone – il positrone – è stato scoperto”, dice.

Con il passare dei decenni, la teoria di base di Dirac è cresciuta man mano che i fisici hanno fatto più progressi. Furono aiutati dal fatto che un certo ramo della matematica – la teoria dei gruppi – sembrava essere alla base di molti dei fili disparati su cui stavano tirando.

La teoria è diventata un insieme di “principi autoconsistenti che descrivono collettivamente tutta la materia che conosciamo, tutte le forze… e tutte le interazioni tra la materia e le forze”, dice Kotwal. “È così che è diventato costantemente sempre più comprensivo”.

Nasce il Modello Standard

Ma c’era un problema.

“Una cosa che impedisce [this theory] dal lavoro – farò una dichiarazione forte – quello previene dal funzionamento, è il fatto che le particelle hanno masse”, dice Kotwal. L’aggiunta di masse all’equazione ha causato il “fallimento” della teoria.

Ma quella non era la fine dell’equazione. “Alcune persone hanno capito che non devi scartare l’intera teoria che stava già funzionando bene. Devi solo modificarlo in un piccolo modo”, afferma Kotal. Quella modifica arrivò sotto forma di una nuova particella: l’allora invisibile bosone di Higgs.

“A quel punto è diventato quello che ora chiamiamo il modello standard, perché ora spiegava un altro enigma, ovvero come nascono le masse in tutto questo quadro”, dice.

Questa opinione è stata confermata più tardi, nel 2012, quando il bosone di Higgs è stato osservato per la prima volta. È successo nel Large Hadron Collider, appena due anni dopo che l’acceleratore aveva usurpato Tevatron come il più potente del mondo.

Il Modello Standard non spiega assolutamente tutto. Non può spiegare la materia oscura, il rapporto tra materia ordinaria e antimateria, alcuni aspetti del bosone di Higgs o, in particolare, la gravità. Ma spiega quasi tutto il resto.

Oltre il modello standard?  Ecco cosa significa un bosone W pesante per il futuro della fisica
Il modello standard sotto forma di funzione lagrangiana, come scritto dalla matematica e fisica italiana Matilde Marcolli.

Allora, qual è il bosone W?

Protoni e neutroni – le particelle raggruppate insieme come l’uva nel nucleo di un atomo – non sono tra le 17 particelle nel Modello Standard. Questo perché sono fatti di particelle ancora più piccole, chiamate quark.

Protoni e neutroni sono costituiti da tre quark ciascuno (cioè, il numero totale di quark meno il numero totale di antiquark è sempre tre). Tuttavia, è l’importantissimo terzo quark che determina se una particella è un protone o un neutrone. Questa differenza è enorme perché i protoni hanno bisogno di neutroni per restare uniti e creare qualcosa che vada oltre la zuppa subatomica.

“Tutti gli elementi che conosciamo contengono neutroni e protoni”, afferma Kotwal. “Privo di [neutrons]il nucleo dell’atomo non può formarsi.

Il bosone W è così importante perché trasforma quel terzo quark in un protone e converte il tutto in un neutrone. Non è qualcosa che accade nella vita di tutti i giorni, ma è assolutamente essenziale. Senza il bosone W, nulla esisterebbe come lo conosciamo.

L’universo “sarebbe stato costituito da protoni ed elettroni. Sarebbe stato solo idrogeno, idrogeno dappertutto. Niente dell’universo che vediamo intorno a noi – tutta la ricchezza, tutta la complessità, noi – sarebbe potuto accadere… senza lo scambio del bosone W”, dice.

La nuova scoperta fa male al modello standard?

È impossibile dire cosa significheranno alla fine le nuove scoperte per la fisica. Per prima cosa, devono essere confermati. “Anche se questo è un risultato intrigante, la misurazione deve essere confermata da un altro esperimento prima che possa essere completamente interpretata”, dice il vicedirettore del Fermilab Joe Lykken.

Quindi, spetterà ai fisici teorici dare un senso alla nuova massa leggermente più grande. È possibile che le nuove scoperte in realtà fare adattarsi alle equazioni. “Esamineranno attentamente il calcolo del modello standard puro per verificare se c’è spazio di manovra lì”, afferma Kotwal. Anche se sembra improbabile, il modello standard è incredibilmente complesso.

Altri teorici probabilmente esamineranno le “estensioni” della teoria che aggiornerebbero le equazioni per riflettere le nuove scoperte. Non sarebbe certo la prima volta che nuove informazioni portano i fisici a reimmaginare questa equazione alla luce di nuove prove.

E alla fine, ci saranno più esperimenti. Il Large Hadron Collider, ad esempio, è alla ricerca di queste domande sui dati.

“Questo è un fattore scatenante per tutti noi per pensare in modo ampio”, afferma Kotwal. “Mi piace dire, non lasciare nulla di intentato. Questo è ciò per cui siamo coinvolti. Quindi, andiamo a fare tutto ciò che possiamo fare. Di tanto in tanto, la natura ci mostrerà il prossimo mistero. Forse è dietro l’angolo.. .questa è stata la storia del Modello Standard. Sono emersi nuovi misteri [and] le persone hanno capito cosa intendevano”.

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