La massa della particella bosone W è stata determinata dal Grande Collisore di Adroni come esattamente corrispondente a quanto previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle, contraddicendo i risultati precedenti di Fermilab che suggerivano una massa diversa e, quindi, la potenziale esistenza di nuova fisica. Sebbene questa scoperta rafforzi ulteriormente il Modello Standard come la nostra migliore rappresentazione del mondo delle particelle, gli scienziati speravano che il loro modello fosse in realtà errato e che la discrepanza nella massa del bosone W potesse indicare nuove teorie in grado di spiegare enigmi come l’identità della materia oscura, che rappresenta l’85% di tutta la materia nell’universo, ma rimane sostanzialmente invisibile per noi.
I bosoni sono particelle fondamentali che trasmettono le forze della natura. La forza forte che tiene uniti i quark all’interno di protoni e neutroni è trasmessa da un bosone chiamato gluone, mentre il bosone della forza elettromagnetica è il fotone e la forza debole, responsabile del decadimento radioattivo, ha tre bosoni: W+, W– e il bosone Z. Misurare le masse di queste particelle è complicato, poiché hanno un’esistenza incredibilmente fugace prima di decadere in altre particelle. Pertanto, con le loro migliori capacità, i fisici creano prima i bosoni collidendo fasci di protoni che viaggiano quasi alla velocità della luce all’interno di un acceleratore di particelle. Ad esempio, al LHC, i protoni collidono con un’energia totale di 13 trilioni di elettronvolt (eV). Durante la collisione, i protoni vengono costretti a disintegrarsi in altre particelle, alcune delle quali sono bosoni (è così che è stato scoperto il bosone di Higgs, che trasmette il campo di Higgs che sostanzialmente conferisce massa a tutto). Anche i bosoni stessi decadono poi, e il modo migliore per misurare la loro massa è combinare le masse di tutte le particelle prodotte durante il decadimento dei bosoni.
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I bosoni decadono in particelle chiamate leptoni (o antileptoni), che possono essere elettroni, muoni o particelle tau (un leptone è definito da uno spin semi-intero, quindi 1/2 o 3/2). Il bosone Z decade in due ulteriori particelle chiamate muoni, che sono relativamente facili da misurare. Questo è, infatti, il motivo per cui la massa del bosone Z è ben nota, con un valore di 91,187.6 MeV e un margine d’errore di ± 2.1 MeV (milioni di eV).
I bosoni W+ e W–, tuttavia, decadono in un leptone (o antileptone) più un neutrino, ed è qui che risiede il problema.
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I neutrini sono particelle molto leggere ed elusive che possono attraversare i rivelatori come fantasmi. Trillioni di neutrini stanno attraversando il tuo corpo proprio ora, ma non puoi accorgertene. È per questo che ci vuole un chilometro cubo di ghiaccio intriso di tubi fotomultiplier presso l’IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud per rilevarli. Anche il Grande Collisore di Adroni può rilevare neutrini, ma ha acquisito questa capacità solo di recente tramite due rivelatori, FASER (Forward Search Experiment) e SND (Scattering and Neutrino Detector). Il LHC ha annunciato le sue prime rilevazioni di neutrini nell’agosto 2023.
Il Modello Standard prevede che la massa dei bosoni W+ e W– sia di 80,357 MeV, ± 6 MeV, basata su una teoria che combina la forza elettromagnetica con la forza debole, chiamata “teoria elettrodebole”. Tuttavia, nel 2022, fisici che hanno rianalizzato dati vecchi dal 2011 (provenienti dall’acceleratore di particelle Tevatron di Fermilab in Illinois, USA) hanno determinato una massa del bosone W di 80,433 MeV, ± 9 MeV. Questo ha fatto sì che la massa del bosone W uscisse dal range previsto dal Modello Standard. Se fosse stata corretta, ciò avrebbe implicato nuova fisica come la “supersimmetria” (che postula che ogni particella nel Modello Standard ha un corrispondente aggiuntivo, molto più massiccio) e la Gravità Quantistica a Loop (che descrive come il tessuto dell’universo potrebbe essere composto da piccoli loop quantistici). Di conseguenza, il mondo della fisica è diventato molto eccitato dalle possibilità.
Ahimè, non doveva essere. Nel 2023, l’esperimento ATLAS del LHC ha misurato la massa del bosone W come 80,360 MeV ± 16 MeV, che è in linea con il Modello Standard — ma, date le scoperte tantalizzanti di Fermilab, c’era preoccupazione che l’ATLAS avesse qualche errore sistematico non riconosciuto che influenzava le sue misurazioni.
Tuttavia, nuove misurazioni della massa del bosone W sono state effettuate dall’esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC e sono anch’esse coerenti con il Modello Standard, producendo una massa di 80,360.2 ± 9.9 MeV. Questo corrisponde a circa 1.42 x 10^–25 chilogrammi. “Fondamentalmente, abbiamo utilizzato una bilancia da 14.000 tonnellate per misurare il peso di una particella che ha una massa di 1 x 10^–25kg, ovvero circa 80 volte la massa di un protone,” ha dichiarato il fisico Michalis Bachtis dell’Università della California, Los Angeles, in una dichiarazione.
Molti fisici avevano ovviamente sperato che ci sarebbe stata una discrepanza nella massa del bosone W, poiché questo avrebbe aperto la porta a una nuova fisica necessaria per spiegare quella discrepanza di massa. Prendendo la supersimmetria come esempio, questo concetto potrebbe tracciare la via per spiegare la materia oscura. Un candidato principale per la materia oscura al momento è un tipo di particella chiamata WIMP, che sta per Weakly Interacting Massive Particle — e una particella massiccia e debolmente interagente si inserirebbe perfettamente nei confini della supersimmetria. Ahimè, attualmente non sono stati ancora trovati partner supersimmetrici per le particelle nel Modello Standard, e la teoria della supersimmetria è lontana dall’essere dimostrata. “Tutti speravano che avremmo misurato lontano dalla teoria, accendendo speranze per una nuova fisica,” ha detto Bachtis. “Confermando che la massa del bosone W è coerente con la teoria, dobbiamo cercare nuova fisica altrove, magari studiando il bosone di Higgs con alta precisione.”
Detto ciò, confermare la massa del bosone W apre la porta ad altre opportunità. Ad esempio, è possibile utilizzare questa misura di massa per giudicare meglio la forza del campo di Higgs, o per comprendere meglio la teoria elettrodebole. Questi progressi sono possibili grazie al modo in cui il CMS ha misurato la massa del bosone W: calibrando l’energia dei muoni emessi con un margine d’errore di appena 0.01%, che è ordini di grandezza più preciso di quanto si pensasse fosse possibile. “Questo nuovo livello di precisione ci permetterà di affrontare misurazioni critiche, come quelle relative ai bosoni W, Z e Higgs, con un’accuratezza migliorata,” ha affermato la studentessa di dottorato Elisabetta Manca, che lavora a questo progetto con Bachtis da 8 anni.
Quindi, il Modello Standard vince ancora — ma con crescenti misteri cosmologici come la materia oscura, l’energia oscura e persino la tensione di Hubble, qualcosa nella nostra comprensione della fisica dovrà rompersi a un certo punto per illuminare il cammino avanti nel mondo della fisica. I risultati sono descritti sul sito web CMS del CERN.