Il bosone W potrebbe sconvolgere la fisica… e la nostra comprensione dell’universo

Il bosone W, una delle particelle più piccole ed elementari conosciute, sta causando un grande putiferio nel campo della fisica delle particelle.

Nuove scoperte su questa particella, ritenuta fondamentale per la formazione dell’universo, suggeriscono che la sua massa potrebbe essere molto più pesante di quanto previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle, il “regolamento” teorico che ci aiuta a dare un senso ai mattoni della materia. Se fosse vero, potrebbe segnalare un cambiamento monumentale nella nostra comprensione dell’universo.

Secondo il Modello Standard, i bosoni W (insieme ad un’altra particella, chiamata bosone Z) sono responsabili della forza nucleare debole, una delle quattro forze che tengono insieme tutta la materia osservabile nell’universo. Le altre forze includono la forza gravitazionale (per la quale attualmente non vi è alcuna spiegazione nel Modello Standard), la forza elettromagnetica e la forza nucleare forte.

Le forze gravitazionale ed elettromagnetica funzionano su larga scala. Basta pensare alla presa del Sole sui pianeti lontani, o il viaggio che la luce di stelle lontane compie attraverso l’universo. Le forze nucleari deboli e forti, tuttavia, interagiscono con gli oggetti più piccoli del nostro universo e si verificano solo all’interno dei nuclei degli atomi.

La forza nucleare debole è particolarmente importante. È responsabile, tra le altre cose, del processo attraverso il quale il sole forma l’elio dall’idrogeno ed è fondamentale per la formazione del nostro universo. “Se non fosse per questa forza, nessuno degli elementi pesanti oltre l’idrogeno si formerebbe“, ha detto Ashutosh Kotwal, fisico della Duke University e uno dei leader dell’esperimento in un’intervista a Popular Mechanics. “È fondamentale per la nostra esistenza”.

Gli scienziati hanno previsto l’esistenza del bosone W negli anni ’60, ma è stato solo nel 1983 che un team di ricercatori del CERN ne ha dimostrato l’esistenza. Da allora, le équipe di ricerca hanno cercato di identificare con precisione la massa del bosone W, una misura critica che funge da parametro chiave per il resto della struttura del modello standard.

fermilab, fisica delle particelle
L’acceleratore di particelle Tevatron ora chiuso al Fermilab a Batavia, Illinois. – FERMILAB

Un team internazionale di oltre 400 ricercatori, noto collettivamente come Collider Detector che opera presso la Fermilab Collaboration, ha lavorato per analizzare quasi dieci anni di dati raccolti dall’ormai defunto acceleratore di particelle Tevatron del Fermilab a Batavia, Illinois. E hanno trovato qualcosa di peculiare: la misurazione della massa del bosone W che riportano nel loro nuovo articolo, pubblicato sulla rivista Science, è circa lo 0,1% più pesante delle stime precedenti.

I ricercatori sono stati in grado di misurare la massa del bosone W facendo collidere fasci di protoni e antiprotoni nel vuoto. Queste collisioni generano una serie di particelle diverse, ma raramente producono un bosone W. “Non siamo in grado di misurare direttamente il bosone W, in un certo senso, perché decade con una velocità incredibile, qualcosa come un trilionesimo di trilionesimo di secondo“, spiega Kotwal.

Quindi, il team per analizzare il bosone W, deve studiare le particelle che lascia dietro di sé. Ma solo alcune combinazioni di particelle residue possono fornire agli scienziati i dati di cui hanno bisogno. In particolare, Kotwal e i suoi colleghi hanno cercato collisioni che producessero due coppie specifiche di particelle: un muone e un neutrino, oppure un elettrone e un neutrino (i muoni sono i cugini subatomici molto, molto più pesanti degli elettroni. I neutrini, affettuosamente conosciuti come particelle fantasma, sono elettricamente neutri e hanno una massa incredibilmente piccola. Un elettrone è, beh, un elettrone). Misurando la posizione e l’energia di queste coppie di particelle, il team è stato in grado di determinare la massa del bosone W decaduto.

È un compito incredibilmente difficile, però. Su circa 450 trilioni di collisioni osservate dal team tra il 2002 e il 2011, solo circa quattro milioni di collisioni hanno generato dati di alta qualità adeguati sul bosone W.

Da questi dati, stimano che la nuova misurazione della massa del bosone W sia 80.433,5 ± 9,4 MeV/c2, lontanissima dai risultati delle misurazioni precedenti e da ciò che suggerisce il Modello Standard dovrebbe essere. È la misurazione più precisa mai registrata, riporta il team, circa due volte più precisa dei calcoli precedenti.

Ora, spetta alla comunità scientifica capire esattamente cosa significano questi risultati. Potrebbero significare, ad esempio, che ci sono particelle precedentemente sconosciute in attesa di essere scoperte, o interazioni fisiche del tutto nuove per la scienza.

Il prossimo passo, ovviamente, sarà quello di eseguire ancora più esperimenti e ottenere la conferma di questa misurazione da una fonte indipendente. Si spera che gli esperimenti CMS e ATLAS al Large Hadron Collider del CERN a Ginevra, in Svizzera, ciascuno dei quali si basa sulla partecipazione di migliaia di scienziati, forniranno ancora più dati nel prossimo futuro e, se siamo fortunati, qualche nuova intuizione.

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