Il comportamento delle particelle fondamentali sfida il modello standard

Oggi, la migliore teoria a disposizione che spiega il comportamento delle particelle fondamentali è il Modello Standard della fisica. Il Modello spiega sia le particelle fino ad oggi note sia le forze con cui interagiscono

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Un esperimento della collaborazione LHCb del CERN ha scoperto che le particelle fondamentali non si comportano secondo quanto postulato dal modello standard.

Secondo il Modello Standard della fisica, le particelle chiamate quark bellezza, osservate nell’esperimento LHCb, dovrebbero decadere in egual misura in muoni o elettroni.

Tuttavia, l’esperimento suggerisce che questo decadimento potrebbe non avvenire, e questo potrebbe indicare l’esistenza di nuove particelle fondamentali o nuove interazioni non previste dal Modello Standard delle particelle.

il quark bellezza o quark inferiore o quark b, è un quark pesante di terza generazione con una carica di -1/3. Il quark bellezza è molto interessante tra le particelle fondamentali perché è prodotto in quasi tutti i decadimenti dei quark superiori ed è un prodotto del decadimento del bosone di Higgs.

Le analisi dei dati che hanno prodotto il risultato sono state svolte dai fisici dell’Imperial College di Londra e delle università di Bristol e Cambridge, grazie al finanziamento della Science and Technology Facilities Council.



Il risultato è stato annunciato alla conferenza Moriond Electroweak Physics e pubblicato come preprint.

Il modello standard delle particelle e oltre

Oggi, la migliore teoria a disposizione che spiega il comportamento delle particelle fondamentali è il Modello Standard della fisica. Il Modello spiega sia le particelle fino ad oggi note sia le forze con cui interagiscono.

Purtroppo il Modello Standard ha dei limiti, non permette di spiegare alcuni misteri che avvolgono la fisica moderna, come la materia oscura, l’energia oscura e lo squilibrio tra materia e antimateria che ha portato alla nascita dell’universo stesso.

Per colmare queste lacune i fisici cercano particelle fondamentali che hanno dei comportamenti diversi da quelli previsti dal Modello Standard.

Il dottor Mitesh Patel, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial College, uno dei fisici che hanno condotto le misurazioni sul quark bellezza si è detto emozionato dalla scoperta, ma ha aggiunto che è ancora troppo presto per affermare se quanto osservato sia una deviazione dal Modello Standard.

Particelle fondamentali della natura

I nuovi risultati, sono stati ottenuti grazie all’esperimento LHCb, uno dei quattro rivelatori di particelle installati lungo la circonferenza del Large Hadron Collider (LHC) del CERN a Ginevra.

Il Large hadron Collider o più semplicemente LHC è una macchina gigantesca, il collisore di particelle più grande esistente oggi. La sua circonferenza è di ben 27 chilometri e la sua struttura è costituita da una serie di tubi a vuoto spinto contenenti magneti superconduttori raffreddati con elio liquido.

Sviluppa un’energia di circa 14 teraelettronvolt, ed è realizzato all’interno di un tunnel sotterraneo a circa 100 m di profondità. LHC si trova nello stesso tunnel realizzato in precedenza per l’acceleratore LEP.

LHC accelera le particelle subatomiche quasi alla velocità della luce, prima di farle scontrare. le collisioni producono nuove particelle fondamentali, che i fisici studiano per comprendere meglio gli elementi costitutivi della natura.

LHC accelera i fasci di protoni che si scontrano in quattro punti precisi dove sono posizionati quattro rivelatori, ognuno studiato per evidenziare un determinato fenomeno, teoricamente previsto dai fisici.

II più grande si chiama ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) è un apparato di oltre 7000 tonnellate, alto 25 m e lungo 46 m.

Il secondo rivelatore è chiamato CMS (Compact Muon Solenoid). Composto da diversi strati, contiene al suo interno sottili strisce di silicio, CMS serve a ricostruire le traiettorie e allo stesso tempo misurare l’energia delle particelle fondamentali generate dagli urti fra protoni.

Gli altri due rivelatori sono più piccoli, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) e LHCb (Large Hadron Collider beauty).

ALICE, che prende il nome dal personaggio ideato dallo scrittore e matematico inglese Lewis Carroll, ha lo scopo di studiare l’universo nel suo stato primordiale, le cui condizioni saranno riprodotte facendo scontrare fra loro nuclei di piombo portati da LHC a un’energia di circa 570 TeV.

LHCb è proprio quello al centro dei rilevamenti dei quark bellezza, infatti il rivelatore è progettato per studiare la fisica dei mesoni B, nell’intento di capire i processi che nella prima infanzia dell’universo dovrebbero aver reso la materia prevalente sull’antimateria.

Proprio la nuova misurazione sembra mettere in discussione le leggi fondamentali della natura che trattano gli elettroni e i loro cugini più pesanti, i muoni, in uguale maniera, tranne che per piccole differenze dovute alle loro diverse masse.

Secondo il modello standard, muoni ed elettroni interagiscono con tutte le forze alla stessa maniera, quindi le particelle fondamentali come i quark bellezza rilevati in LHCb dovrebbero decadere in muoni con la stessa frequenza di decadimento degli elettroni.

I dati ottenuti dai ricercatori mostrano un comportamento diverso nelle particelle fondamentali, le misurazioni sembrano mostrare una velocità diversa nel decadimento e questo potrebbe suggerire l’esistenza di nuove particelle mai osservate prima.

Lo studente Ph.D. dell’Imperial College Daniel Moise, che ha dato il primo annuncio dei risultati alla conferenza Moriond Electroweak Physics, ha dichiarato che il risultato suggerisce l’esistenza di una nuova particella o di una forza fondamentale che si comporta in maniera diversa dalle particelle note.

Se il risultato verrà confermato, certamente avrà una grande ripercussione sulla comprensione della natura.

la conclusione? non è scontata

Nella fisica delle particelle, quello che viene definito “gold standard” per la scoperta è di cinque deviazioni standard, ciò significa che esiste una probabilità di 1 su 3,5 milioni che il risultato sia un caso.

Il risultato ottenuto per i quark bellezza è di tre deviazioni, il che significa che c’è ancora una possibilità su 1000 che la misurazione sia solo una coincidenza statistica. per questo è troppo presto per trarre conclusioni definitive.

Il dottor Michael McCann, che ha ricoperto un ruolo importantissimo nel team dell’Imperial College ha spiegato che sappiamo che devono esserci nuove particelle fondamentali da scoprire perché la nostra attuale comprensione dell’Universo non è completa.

Non sappiamo quasi nulla di un buon 95% dell’universo e non sappiamo da cosa sia stato causato lo squilibrio tra materia ed antimateria nelle prime fasi del Big Bang.

Ora la collaborazione LHCb dovrà verificare ulteriormente i risultati raggiunti raccogliendo e analizzando nuovi dati, per vedere se i nuovi fenomeni osservati si mostrano ancora.

L’esperimento LHCb dovrebbe iniziare a raccogliere nuovi dati nel 2022, dopo un aggiornamento del rilevatore.

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