Il modello standard della fisica delle particelle potrebbe essere messo in discussione

Come fisico che lavora al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, una delle domande più frequenti che mi vengono poste è “Quando troverai qualcosa?” Resistere alla tentazione di rispondere sarcasticamente “A parte il bosone di Higgs, che ha vinto il premio Nobel, e tutta una serie di nuove particelle composite?” Mi rendo conto che il motivo per cui la domanda viene posta così frequentemente è dovuto al modo in cui abbiamo rappresentato il progresso della fisica delle particelle nel mondo più ampio.

Parliamo spesso di progresso in termini di scoperta di nuove particelle, e questo è spesso vero. Lo studio di una nuova particella molto pesante ci aiuta a vedere i processi fisici sottostanti, spesso senza fastidiosi rumori di fondo. Ciò rende facile spiegare il valore della scoperta al grande pubblico e ai politici.

Di recente, tuttavia, una serie di misurazioni precise di particelle e processi ordinari già noti e standard hanno minacciato di scuotere la fisica. E con l’LHC che si prepara a funzionare a un’energia e un’intensità più elevate che mai, è tempo di iniziare a discuterne ampiamente le implicazioni.

In verità, la fisica delle particelle ha sempre proceduto in due modi, di cui uno è quello di cercare nuove particelle. L’altro consiste nell’effettuare misurazioni molto precise per mettere alla prova le previsioni delle teorie e cercare deviazioni da ciò che ci si aspetta.

Le prime prove della teoria della relatività generale di Einstein, ad esempio, provenivano dalla scoperta di piccole deviazioni nelle posizioni apparenti delle stelle e dal movimento di Mercurio nella sua orbita.

Tre risultati chiave

Le particelle obbediscono a una teoria contro-intuitiva ma di enorme successo chiamata meccanica quantistica. Questa teoria mostra che particelle troppo massicce per essere prodotte direttamente in una collisione di laboratorio possono influenzare ciò che fanno le altre particelle (attraverso qualcosa chiamato “fluttuazioni quantistiche”). Le misurazioni di tali effetti sono tuttavia molto complesse e molto più difficili da spiegare al pubblico.

Ma i risultati recenti che suggeriscono una nuova fisica inspiegabile oltre il modello standard sono di questo secondo tipo. Studi dettagliati dell’esperimento LHCb hanno scoperto che una particella nota come quark bellezza (i quark costituiscono i protoni e i neutroni nel nucleo atomico) “decade” (si sfalda) molto più spesso in un elettrone che in un muone: l’elettrone è più pesante, ma per il resto è identico, un fratello. Secondo il modello standard, questo non dovrebbe accadere, suggerendo che nuove particelle o persino forze della natura potrebbero influenzare il processo.

Curiosamente, tuttavia, le misurazioni di processi simili che coinvolgono i “quark top” dall’esperimento ATLAS all’LHC mostrano che questo decadimento avviene a velocità uguali per elettroni e muoni.

Nel frattempo, l’esperimento Muon g-2 svolto al Fermilab ha recentemente condotto studi molto precisi su come i muoni “oscillano” mentre il loro “spin” (una proprietà quantistica) interagisce con i campi magnetici circostanti. È stata riscontrata una piccola ma significativa deviazione da alcune previsioni teoriche, suggerendo ancora una volta che forze o particelle sconosciute potrebbero essere all’opera.

L’ultimo risultato sorprendente è una misura della massa di una particella fondamentale chiamata bosone W, che trasporta la debole forza nucleare che governa il decadimento radioattivo. Dopo molti anni di raccolta di dati e analisi, l’esperimento, sempre al Fermilab, suggerisce che è significativamente più pesante di quanto previsto dalla teoria, deviando di una quantità che non accadrebbe per caso in più di un milione di milioni di esperimenti. Ancora una volta, può darsi che particelle ancora sconosciute si stiano aggiungendo alla sua massa.

È interessante notare, tuttavia, che questo non è d’accordo con alcune misurazioni di precisione inferiore dell’LHC (presentate in questo studio e in questo).

Il verdetto

Anche se non siamo assolutamente certi che questi effetti richiedano una nuova spiegazione, sembra aumentare l’evidenza che sia necessaria una nuova fisica.

Naturalmente, ci saranno quasi tanti nuovi meccanismi proposti per spiegare queste osservazioni quanti sono i teorici. Molti guarderanno a varie forme di “supersimmetria“. Questa è l’idea che ci sono il doppio delle particelle fondamentali nel modello standard rispetto a quanto avevamo pensato, con ogni particella che ha un “super partner“. Queste possono comportare ulteriori bosoni di Higgs (associati al campo che dà alle particelle fondamentali la loro massa).

Altri andranno oltre, invocando idee meno di moda come una nuova fisica “technicolor“, il che implicherebbe che ci sono forze della natura aggiuntive (oltre alla gravità, all’elettromagnetismo e alle forze nucleari deboli e forti), e potrebbe significare che il bosone di Higgs è un oggetto composito fatto di altre particelle. Solo gli esperimenti riveleranno la verità della questione, il che è una buona notizia per gli sperimentatori.

I team sperimentali dietro le nuove scoperte sono tutti molto rispettati e hanno lavorato sui problemi per molto tempo. Detto questo, non è una mancanza di rispetto nei loro confronti notare che queste misurazioni sono estremamente difficili da effettuare. Inoltre, le previsioni del modello standard richiedono solitamente calcoli in cui devono essere effettuate approssimazioni. Ciò significa che teorici diversi possono prevedere masse e tassi di decadimento leggermente diversi a seconda delle ipotesi e del livello di approssimazione fatti. Quindi, può darsi che quando eseguiamo calcoli più accurati, alcuni dei nuovi risultati si adatteranno al modello standard.

Allo stesso modo, i ricercatori potrebbero utilizzare interpretazioni leggermente diverse e quindi trovare risultati incoerenti. Il confronto di due risultati sperimentali richiede un’attenta verifica in cui lo stesso livello di approssimazione sia stato utilizzato in entrambi i casi.

Questi sono entrambi esempi di fonti di “incertezza sistematica” e, sebbene tutte le parti interessate facciano del loro meglio per quantificarle, possono esserci complicazioni impreviste che le sottostimano o le sovrastimano.

Niente di tutto ciò rende i risultati attuali meno interessanti o importanti. Ciò che i risultati illustrano è che esistono molteplici percorsi per una comprensione più profonda della nuova fisica e tutti devono essere esplorati.

Con il riavvio dell’LHC, ci sono ancora prospettive che nuove particelle vengano prodotte attraverso processi più rari o che vengano trovate nascoste sotto sfondi che dobbiamo ancora portare alla luce.

Scritto da Roger Jones, Professore di Fisica, Capo Dipartimento, Lancaster University.

Fonte: The Conversation.