Perché tutti parlano della nuova misurazione del bosone W

Un decennio dopo la sua chiusura, i risultati analizzati dal Collider Detector del Fermilab (CDF) hanno misurato la massa del bosone W, una particella elementare, leggermente più pesante di quella prevista dal cosiddetto modello standard della fisica delle particelle . I risultati sono stati calcolati dopo aver analizzato i risultati di CDF per dieci anni, ed è la misurazione più precisa della massa del bosone W mai realizzata.

Il modello Standard è il nostro modello di realtà ai suoi livelli più fondamentali. Descrive le particelle elementari, Fermioni e Bosoni, di diversi tipi simili al Bosone W, e le forze che governano le interazioni tra di loro. Delle quattro forze fondamentali che governano tutta la realtà, il Modello Standard ne descrive tre: l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte che tiene insieme i nuclei e le forze nucleari deboli che governano il decadimento radioattivo dei nuclei.

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Entrambi i bosoni W e Z sono portatori della forza nucleare debole e si formano attraverso processi radioattivi. Il collisore a CDF ha distrutto trilioni di protoni e antiprotoni (l’antimateria si raddoppia in protoni, portando la stessa massa ma carica opposta) l’uno nell’altro ad alta velocità come uno di questi processi, che produce un bosone W una volta ogni 10 milioni di collisioni. tuttavia, il bosone non può essere misurato direttamente; decade troppo velocemente e la sua presenza deve quindi essere dedotta dalle particelle in cui decade.

È questo processo che i sensori sensibili al CDF e successivamente all’LHC sono progettati per osservare. Il presente calcolo utilizza 4,2 milioni di osservazioni di particelle candidate del bosone W, quasi quattro volte più dati dell’ultima misurazione del gruppo della massa del bosone W nel 2012, e l’esperimento è stato accecato per ridurre al minimo il rischio di pregiudizi umani, il che significa che i fisici analizzando i suoi dati sono stati tenuti all’oscuro dei suoi risultati fino al completamento del loro lavoro.

“Il numero di miglioramenti e controlli extra che sono stati apportati al nostro risultato è enorme”, ha affermato in una dichiarazione Ashutosh V. Kotwal della Duke University, che ha guidato il lavoro.

I risultati danno la massa del bosone W a 80,433,5 ± 9,4 MeV (un Mega elettrone-Volt è circa la massa-energia in un elettrone), mentre le previsioni del modello standard prevedono la massa a 80,357 (MeV) ± 6 MeV. Sebbene l’errore (circa 77 MeV) sia di piccola entità, la misurazione è precisa entro 9 MeV, rendendo la deviazione quasi otto volte il margine di errore. In termini matematici, la significatività statistica del risultato è 7-sigma, molto al di sopra del gold standard statisticamente accettato di 5-sigma nella fisica delle particelle. Ciò significa che se nessuna nuova fisica ha influenzato il bosone W, discrepanze grandi almeno quanto quella osservata deriverebbero comunque dal puro caso una volta ogni 800 miliardi di volte che l’esperimento è stato eseguito, mentre un risultato 5-sigma corrisponde a un dato effetto che appare attraverso possibilità una volta ogni 3,5 milioni di corse.

In passato, discrepanze come la massa del bosone W hanno indicato la necessità e l’emergere di nuove teorie in fisica. Ad esempio, l’oscillazione nell’orbita di Mercurio che le teorie newtoniane non potevano spiegare ha indicato la strada dalle immagini del mondo newtoniane a quelle einsteiniane

Questa discrepanza potrebbe significare che la matematica alla base dell’analisi dell’esperimento o dell’esperimento stesso era sbagliata o che il modello standard manca di alcune parti. Tuttavia, l’articolo prodotto in Science è stato sottoposto a revisione paritaria e l’esperimento è il più preciso realizzato fino ad oggi. Pertanto, i risultati hanno lasciato la comunità dei fisici sbalordita ed eccitata, poiché potrebbe potenzialmente riscrivere la fisica delle particelle come è attualmente conosciuta attraverso il Modello Standard.

“Nessuno stava aspettando questa discrepanza”, dice Martijn Mulders, un fisico sperimentale al CERN vicino a Ginevra, che non è stato coinvolto nella nuova ricerca ma ha co-scritto un commento di accompagnamento su Science, mentre parlava con Scientific American. “È molto inaspettato. Ti senti quasi tradito perché all’improvviso stanno segando una delle gambe che supportano davvero l’intera struttura della fisica delle particelle”.

“Il Modello Standard è una struttura molto ben bilanciata. Pertanto questa misurazione non è solo una misurazione. Se questa misurazione cambia, cambia il bilanciamento del modello, il che significa che dobbiamo rivalutare tutte le altre misurazioni che abbiamo fatto e vedere se, forse, modificando alcuni altri parametri le cose diventano naturali”, ha affermato il dott. Amol Dighe, professore di Fisica nel Dipartimento di Fisica Teorica del Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) mentre parla con menta

FILE – Un tecnico lavora nel tunnel LHC (Large Hadron Collider) dell’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, CERN, vicino a Ginevra, Svizzera, martedì 12 febbraio. 16, 2016.
(AP)


Ad esempio, il modello standard è stato utilizzato per prevedere le proprietà come la massa e la carica di diverse particelle che sono state successivamente scoperte in quella che viene chiamata la grande età della fisica delle particelle nel ventesimo secolo. Il più famoso tra loro era il bosone di Higgs, soprannominato la “particella di Dio”, che dà massa a tutte le altre particelle incluso il bosone W. Anche l’Higgs, che è stato finalmente scoperto al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, aveva una massa prevista dal modello standard.

Tuttavia, il Modello Standard ha dovuto affrontare sfide anche prima dei risultati di questo esperimento, tra cui la principale è la sua incapacità di considerare la materia oscura, l’energia oscura, le masse dei neutrini e la gravità. In questo contesto, i risultati consolidano la convinzione degli scienziati che esiste una “nuova fisica” oltre il modello standard a cui puntano i risultati.

“Come fisico delle particelle, sono fiducioso nel dire che ci deve essere più fisica in attesa di essere scoperta oltre il Modello Standard. 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”, ha affermato John Conway, una parte del team che ha costruito e gestito il Collider Detector al Fermilab (CDF) , in un articolo su La conversazione.

Non è ciò che capisci, ma ciò che non capisci che è interessante nell’impresa scientifica. In passato, discrepanze come la massa del bosone W hanno indicato la necessità e l’emergere di nuove teorie in fisica. Ad esempio, l’oscillazione nell’orbita di Mercurio che le teorie newtoniane non potevano spiegare ha indicato la strada dall’immagine del mondo newtoniana a quella einsteiniana. Allo stesso modo, gli esperimenti della doppia fenditura hanno aperto la strada alla meccanica quantistica.

Tuttavia, gli scienziati stanno facendo la loro due diligence cercando di esaminare i risultati del documento Science e la sua metodologia attraverso un pettine fine. Ci si aspetta una raffica di articoli che tentano di spiegare la discrepanza nella massa attraverso nuove teorie e particelle. Uno dei candidati per lo stesso è la supersimmetria, una teoria che finora non ha prodotto alcun risultato nonostante gli esperimenti per trovare tali particelle supersimmetriche all’LHC. Ci si può aspettare di più nel prossimo futuro.

Binit Priyaranjan è giornalista, scrittore e poeta freelance.

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