Il modello standard della fisica delle particelle potrebbe essere rotto, afferma l’esperto

Come fisico che lavora al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, una delle domande più comuni che mi vengono poste è “Quando troverai qualcosa?” Resisti 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 spesso ha a che fare con il modo in cui abbiamo presentato i progressi della fisica delle particelle al resto del mondo.

Parliamo spesso di progresso in termini di scoperta di nuove particelle, e spesso è così. Lo studio di una nuova particella molto pesante ci aiuta a visualizzare i processi fisici sottostanti, spesso senza distrarre il rumore di fondo. Questo rende facile spiegare il valore della scoperta al pubblico e ai politici.

Di recente, tuttavia, una serie di misurazioni precise di particelle e processi già noti e conformi agli standard delle paludi hanno minacciato di scuotere la fisica. E con l’LHC pronto a funzionare a un’energia e un’intensità più elevate che mai, è ora di iniziare a discutere ampiamente delle implicazioni.

In verità, la fisica delle particelle ha sempre proceduto in due modi, di cui le nuove particelle sono una. L’altro è effettuare misurazioni molto precise che mettono alla prova le previsioni delle teorie e cercano deviazioni da ciò che ci si aspetta.

La prima prova della teoria della relatività generale di Einstein, ad esempio, è venuta dalla scoperta di piccole deviazioni nelle posizioni apparenti delle stelle e dal moto 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 in laboratorio possono ancora influenzare ciò che fanno le altre particelle (attraverso quelle che vengono chiamate “fluttuazioni quantistiche”). Le misure di questi 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 rivelato che una particella nota come quark di bellezza (i quark costituiscono i protoni e i neutroni nel nucleo atomico) “decade” (decade) in un elettrone molto più spesso che in un muone – l’elettrone è più pesante , ma per il resto identico, fratello. Secondo il Modello Standard, ciò non dovrebbe accadere, suggerendo che nuove particelle o addirittura 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 si verifica a velocità uguali per elettroni e muoni.

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

Esperimento LHCb. Credito: CERN

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 e analisi di dati, l’esperienza, anche al Fermilab, suggerisce che è significativamente più pesante di quanto previsto dalla teoria, deviando di una quantità che non si verificherebbe per caso in più di un milione di milioni di esperienze. Di nuovo, potrebbero esserci particelle ancora sconosciute che si aggiungono alla sua massa.

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

Il verdetto

Anche se non siamo assolutamente certi che questi effetti richiedano una nuova spiegazione, sembra sempre più chiaro che sia necessaria una nuova fisica.

Naturalmente, ci saranno quasi tanti nuovi meccanismi proposti per spiegare queste osservazioni quanti sono i teorici. Molti si rivolgeranno a varie forme di “supersimmetria”. È l’idea che ci siano il doppio delle particelle fondamentali nel Modello Standard di quanto pensavamo, con ogni particella che ha un “super partner”. Questi 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 “technicolor”, il che implicherebbe l’esistenza di 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 in realtà un oggetto composto formato da altre particelle. Solo gli esperimenti riveleranno la verità sulla questione, 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 irrispettoso nei loro confronti che queste misure siano estremamente difficili da realizzare. 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 precisi, alcuni dei nuovi risultati si adattano al modello standard.

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

Questi sono due esempi di fonti di “incertezza sistematica” e, sebbene tutte le parti coinvolte facciano del loro meglio per quantificarle, possono esserci complicazioni impreviste che le sottovalutano o 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 possibilità che nuove particelle vengano prodotte da processi più rari o che vengano trovate nascoste sotto sfondi che non abbiamo ancora scoperto.


Concentrati sull’interazione del bosone di Higgs con il quark charm


Fornito da La conversazione

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.La conversazione

Citazione: Il modello standard della fisica delle particelle potrebbe essere rotto, afferma l’esperto (2022, 9 maggio) Estratto il 10 maggio 2022 da https://phys.org/news/2022-05-standard-particle-physics-broken- expert.html

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