Leptoni: confermata una controversa verità universale della fisica delle particelle

Una misurazione di un principio fondamentale del modello standard della fisica delle particelle – l’universalità del sapore dei leptoni – catturata dal rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider, è riportata in un articolo pubblicato su Nature Physics .

I risultati migliorano il risultato ottenuto anni fa dal Large Electron-Positron Collider.

La nostra comprensione delle particelle elementari, i mattoni dell’Universo, e delle forze fondamentali elettromagnetiche, deboli e forti che agiscono tra di loro, è formulata nel modello standard della fisica delle particelle.

In teoria, elettroni, muoni e leptoni rappresentano tre varietà (o aromi) di un tipo di particelle elementari caricate elettricamente note come leptoni.

I leptoni, come recita Wikipedia, sono un gruppo di particelle elementari appartenenti alla famiglia dei fermioni.

Sono suddivisi in due classi: quelli carichi, come l’elettrone, e quelli neutri, i neutrini. Le due classi comprendono ognuna tre tipologie. Quella carica comprende l’elettrone, il muone e il tauone, mentre i tre tipi di neutrino sono associati agli altri leptoni: neutrino elettronico {\displaystyle \nu _{e}}

{\displaystyle \nu _{mu}}

{\displaystyle \nu _{tau}} Ogni coppia leptone-neutrino corrispondente costituisce una generazione.

L’elettrone, il muone e il tauone hanno carica elettrica negativa, definita come carica elementare, e si differenziano per massa e vita media. I neutrini sono stati ritenuti per lungo tempo privi di massa, ma nel 1998, presso l’osservatorio Super-Kamiokande in Giappone, è stato dimostrato che il neutrino ha massa piccolissima, da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell’elettrone.

Il termine leptone deriva dalla parola greca: λεπτός (« leggero ») e si riferisce alla piccola massa del primo leptone scoperto, l’elettrone, rispetto ai nucleoni. I leptoni interagiscono con le varie interazioni fondamentali tranne che con l’interazione forte, in ciò differenziadosi dai quark.

Universalità del sapore dei leptoni

Il modello standard presuppone che la forza degli accoppiamenti tra i leptoni e le particelle che mediano la forza debole, nota come bosoni di gauge elettrodeboli “W” o “Z”, sia indipendente dal sapore del leptone.

Questo principio di lunga data, noto come universalità del sapore leptonico, è stato recentemente messo in discussione da diversi esperimenti.

La collaborazione ATLAS, che coinvolge un team internazionale di scienziati, ha studiato se questa “verità universale” è vera per il muone e il leptone in circa mezzo milione di collisioni protone-protone registrate con il rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider.

Esaminando i decadimenti dei bosoni W in leptoni τ e muoni e misurando il rapporto dei loro tassi di decadimento, gli autori sono stati in grado di concludere che la forza debole interagisce con entrambi i tipi di leptoni allo stesso modo.

Questo risultato della collaborazione ATLAS è la misurazione più precisa fino ad oggi, con quasi il doppio della precisione ottenuta dagli esperimenti al predecessore del Large Hadron Collider al CERN, il Large Electron-Positron Collider (LEP).

Il professore di fisica della Lancaster University Guennadi Borissov ha dichiarato: “Le misurazioni al LEP hanno indicato che potrebbe esserci una differenza tra i decadimenti di diversi tipi di leptoni. Questo intrigante suggerimento di deviazione dal modello standard non è stato confermato per circa 20 anni”.

“È stato emozionante trovare un modo nuovo e straordinariamente preciso per testare i precedenti risultati utilizzando la potenza del Large Hadron Collider, con Lancaster al centro di ogni fase dell’analisi“.

Il professor Roger Jones, capo del gruppo Lancaster ATLAS, ha dichiarato: “Test come il nostro di assunzioni teoriche fondamentali sono attualmente un’area calda della ricerca nella fisica delle particelle”.

“Risultati recenti dell’esperimento LHCb e misurazioni molto precise dei muoni effettuate dal g La collaborazione -2 (che ha anche fisici Lancaster nel team) ha fornito nuovi suggerimenti sul fatto che i leptoni potrebbero non comportarsi tutti allo stesso modo previsto dalle nostre teorie”.

“Al contrario, misurazioni nuove e molto precise mostrano che in modi importanti i leptoni si comportano davvero allo stesso modo. Sarà emozionante vedere se i suggerimenti di altri esperimenti diventeranno prove chiare”.

“In tal caso, le teorie dovranno spiegare la nostra forte prove che i leptoni si comportano allo stesso modo nel processo che abbiamo studiato e tuttavia si comportano diversamente in altri processi“.