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Nuova fisica: incoraggianti gli ultimi risultati del Cern

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di Harry Cliff – Fisico delle particelle, Università di Cambridge

Il Large Hadron Collider (LHC) ha suscitato entusiasmo in tutto il mondo a marzo quando i fisici delle particelle hanno riportato prove allettanti per una nuova fisica, potenzialmente una nuova forza della natura. Ora, il nostro nuovo risultato, ancora da rivedere tra pari, ottenuto grazie al gigantesco collisore di particelle del Cern sembra aggiungere ulteriore supporto all’idea.

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La nostra attuale migliore teoria delle particelle e delle forze, conosciuta come modello standard, descrive tutto ciò che sappiamo sulle cose fisiche che compongono il mondo che ci circonda con una precisione infallibile. Il modello standard è senza dubbio la teoria scientifica di maggior successo mai scritta e, allo stesso tempo, sappiamo che è incompleta.

Notoriamente, descrive solo tre delle quattro forze fondamentali: la forza elettromagnetica e le forze forti e deboli, tralasciando la gravità. Non ha alcuna spiegazione per la materia oscura che l’astronomia ci dice che domina l’universo e non può spiegare come la materia sia sopravvissuta durante il big bang al totale annichilimento con l’antimateria. La maggior parte dei fisici è quindi fiduciosa che ci debbano essere altri ingredienti cosmici ancora da scoprire, e studiare una varietà di particelle fondamentali note come quark bellezza è un modo particolarmente promettente per ottenere suggerimenti su cos’altro potrebbe esserci là fuori.

I quark bellezza, a volte chiamati quark basso o bottom, sono particelle fondamentali, che a loro volta costituiscono particelle più grandi. Ci sono sei tipi di quark che sono soprannominati su, giù, strano, fascino, bellezza/basso e verità/alto. I quark up e down, ad esempio, costituiscono i protoni e i neutroni nel nucleo atomico.

I quark bellezza sono instabili, vivono in media solo per circa 1,5 trilionesimi di secondo prima di decadere in altre particelle. Il modo in cui i quark bellezza decadono può essere fortemente influenzato dall’esistenza di altre particelle o forze fondamentali. Quando un quark bellezza decade, si trasforma in un insieme di particelle più leggere, come gli elettroni, per l’influenza della forza debole. Uno dei modi in cui una nuova forza della natura potrebbe farsi conoscere da noi è cambiando sottilmente la frequenza con cui i quark bellezza decadono in diversi tipi di particelle.

Il documento di marzo si basava sui dati dell’esperimento LHCb, uno dei quattro rilevatori di particelle giganti che registrano l’esito delle collisioni ad altissima energia prodotte dall’LHC. (La “b” in LHCb sta per “bellezza”.) Ha scoperto che i quark bellezza decadono in elettroni e nei loro cugini più pesanti chiamati muoni a velocità diverse. Questo è stato davvero sorprendente perché, secondo il modello standard, il muone è fondamentalmente una copia carbone dell’elettrone – identico in tutto tranne che per essere circa 200 volte più pesante. Ciò significa che tutte le forze dovrebbero attrarre elettroni e muoni con uguale intensità: quando un quark di bellezza decade in elettroni o muoni tramite la forza debole, dovrebbe farlo con la stessa frequenza.

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Invece, i miei colleghi hanno scoperto che il decadimento del muone accade solo circa l’85% più spesso del decadimento dell’elettrone. Supponendo che il risultato sia corretto, l’unica possibilità di spiegare un tale effetto è che esista una nuova forza della natura che attira elettroni e muoni in modo diverso interferendo con il decadimento dei quark bellezza.

Il risultato ha causato un’enorme eccitazione tra i fisici delle particelle. Sono decenni che cerchiamo segni di qualcosa che vada oltre il modello standard e, nonostante dieci anni di lavoro all’LHC, finora non è stato trovato nulla di definitivo. Quindi scoprire una nuova forza della natura sarebbe un affare enorme e potrebbe finalmente aprire la porta alla risposta ad alcuni dei misteri più profondi che la scienza moderna deve affrontare.

Nuovi risultati

Anche se il risultato è stato allettante, non è stato conclusivo. Tutte le misurazioni presentano un certo grado di incertezza o “errore”. In questo caso c’è solo una possibilità su 1.000 che il risultato sia dovuto a un’oscillazione statistica casuale, o “tre sigma” come si dice nel gergo della fisica delle particelle.

Uno su 1.000 potrebbe non sembrare molto, ma effettuiamo un numero molto elevato di misurazioni nella fisica delle particelle e quindi potresti aspettarti che una piccola manciata generi valori anomali solo per caso. Per essere veramente sicuri che l’effetto sia reale, dovremmo arrivare a cinque sigma, che corrisponde a meno di una possibilità su un milione che l’effetto sia dovuto a un crudele colpo di fortuna.

Per arrivarci, dobbiamo ridurre la dimensione dell’errore e per farlo abbiamo bisogno di più dati. Un modo per ottenere ciò è semplicemente eseguire l’esperimento più a lungo e registrare più decadimenti. L’esperimento LHCb è attualmente in fase di aggiornamento per essere in grado di registrare le collisioni a una velocità molto più elevata in futuro, il che ci consentirà di effettuare misurazioni molto più precise. Ma possiamo anche ottenere informazioni utili dai dati che abbiamo già registrato cercando tipi simili di decadimenti più difficili da individuare.

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Questo è quello che abbiamo fatto io e i miei colleghi. A rigor di termini, non studiamo mai direttamente i decadimenti dei quark bellezza, poiché tutti i quark sono sempre legati insieme ad altri quark per formare particelle più grandi. Lo studio di marzo ha esaminato i quark bellezza che erano accoppiati con i quark “up”. Il nostro risultato ha studiato due decadimenti: uno in cui i quark bellezza erano accoppiati con quark “down” e un altro in cui erano anche accoppiati con quark up. Che l’abbinamento sia diverso non dovrebbe importare, però: il decadimento che sta avvenendo in profondità è lo stesso e quindi ci aspetteremmo di vedere lo stesso effetto, se c’è davvero una nuova forza là fuori.

Ed è esattamente quello che abbiamo visto. Questa volta, i decadimenti del muone si sono verificati circa il 70% della frequenza con cui l’elettrone decade, ma con un errore maggiore, il che significa che il risultato è di circa “due sigma” dal modello standard (circa due su cento possibilità di essere un’anomalia statistica). Ciò significa che mentre il risultato non è abbastanza preciso da solo per rivendicare una prova certa di una nuova forza, si allinea molto da vicino con il risultato precedente e aggiunge ulteriore supporto all’idea che potremmo essere sull’orlo di un importante sfondamento.

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Certo, dovremmo essere cauti. C’è ancora molta strada da fare prima di poter affermare con un certo grado di certezza che stiamo davvero vedendo l’influenza di una quinta forza della natura. I miei colleghi stanno attualmente lavorando duramente per estrarre quante più informazioni possibili dai dati esistenti, mentre si preparano alacremente per la prima esecuzione dell’esperimento LHCb aggiornato. Nel frattempo, altri esperimenti all’LHC, così come l’esperimento Belle 2 in Giappone, si stanno avvicinando alle stesse misurazioni. È emozionante pensare che nei prossimi mesi o anni si possa aprire una nuova finestra sugli ingredienti più fondamentali del nostro universo.

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