Credit: CERN

Introduzione

La fisica moderna conosce molto su come funziona l’universo, dagli oggetti su vasta scala come le galassie fino alle dimensioni infinitamente piccole dei quark e gluoni. Tuttavia, le risposte ad alcuni importanti misteri, come la natura della materia oscura e l’origine della gravità, sono rimaste fuori portata.

I fisici della Caltech e i loro colleghi che utilizzano il Large Hadron Collider (LHC) presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) a Ginevra, in Svizzera, il più grande e potente acceleratore di particelle esistente e il suo esperimento Compact Muon Solenoid (CMS), hanno fatto un nuova osservazione di eventi molto rari che potrebbero aiutare a portare la fisica oltre la sua attuale comprensione del mondo.

Particelle mediatrici

La nuova osservazione riguarda la produzione simultanea di tre bosoni W o Z, “particelle mediatrici” subatomiche che trasportano la forza debole – una delle quattro forze fondamentali conosciute – che è responsabile del fenomeno della radioattività e un ingrediente essenziale processi termonucleari del sole.

I bosoni sono una classe di particelle che includono anche i fotoni, che compongono la luce; il bosone di Higgs, che si ritiene sia responsabile del dare massa alla materia; e gluoni, che legano insieme i nuclei. I bosoni W e Z sono simili tra loro in quanto entrambi portano la forza debole ma sono diversi in quanto il bosone Z non ha carica elettrica. L’esistenza di questi bosoni, insieme ad altre particelle subatomiche come gluoni e neutrini, è spiegata da quello che è noto come il Modello Standard della fisica delle particelle.

Zhicai Zhang (MS ’18), laureata alla Caltech, membro del gruppo di ricerca di fisica delle alte energie guidato da Harvey Newman, professore di fisica Marvin L. Goldberger e Maria Spiropulu, professoressa di fisica Shang-Yi Ch’en, è una dei principali scienziati che ha contribuito alla nuova osservazione, collaborando con altri membri del team.

Una osservazione davvero rara

Gli eventi che producono il trio di bosoni si verificano quando intensi gruppi di protoni ad alta energia che sono stati accelerati a quasi la velocità della luce vengono portati in una collisione frontale in alcuni punti lungo il percorso circolare dell’LHC. Quando due protoni si scontrano, i quark e i gluoni nei protoni vengono separati e mentre ciò accade, i bosoni W e Z possono emergere; in casi molto rari, appaiono come terzine: WWW, WWZ, WZZ e ZZZ. Tali triplette di bosoni W e Z, dice Newman, sono prodotte solo in una collisione protone-protone su 10 trilioni. 

Questi eventi vengono registrati utilizzando il CMS, che circonda uno dei punti di collisione lungo il percorso dell’LHC. Zhang afferma che questi eventi sono 50 volte più rari di quelli usati per scoprire il bosone di Higgs. “Con l’LHC, che crea un numero enorme di collisioni, possiamo vedere cose molto rare, come la produzione di questi bosoni“, afferma Newman.

È possibile che i bosoni W e Z interagiscano da soli, consentendo ai bosoni W e Z di creare ancora più bosoni W e Z; questi possono manifestarsi come eventi con due o tre bosoni enormi. Tuttavia, questa creazione è rara, quindi più bosoni vengono prodotti, meno frequente è la produzione. La produzione di due bosoni massicci è stata precedentemente osservata e misurata con buona precisione presso l’LHC.

Migliorare le previsioni del Modello Standard

La creazione di questi bosoni non era l’obiettivo specifico dell’esperimento, afferma Newman. Raccogliendo dati sufficienti, inclusi molti eventi con triplette di bosone e altri eventi rari, i ricercatori saranno in grado di testare le previsioni del Modello Standard con maggiore precisione e potranno eventualmente trovare e essere in grado di studiare le nuove interazioni al di là di esso.

Sappiamo dall’osservazione della rotazione e della distribuzione delle galassie che deve esserci materia oscura che esercita la sua influenza gravitazionale, ma la materia oscura non rientra nel Modello Standard. Non vi è spazio per particelle oscure, né include gravità, e semplicemente non funziona alle scale di energia tipiche dell’universo primordiale nei primi momenti dopo il Big Bang. Sappiamo che esiste una teoria ancora più fondamentale da scoprire rispetto al Modello standard“, afferma Newman.

Siamo solo all’inizio

Il prossimo ciclo sperimentale triennale, previsto per il 2021-24, è già in preparazione. Al termine di tale ciclo, l’apparecchiatura verrà aggiornata per aumentare di 30 volte la capacità di raccolta dei dati. “Esistono molte potenzialità non realizzate. Le masse di dati che abbiamo già raccolto rappresentano ancora solo un po’ delle percentuali di ciò che prevediamo di raccogliere a seguito di importanti aggiornamenti sia del CMS che dell’LHC, presso l’LHC ad alta luminosità che è programmato per l’esecuzione 10 anni a partire dal 2027. Siamo solo all’inizio di questo programma di fisica di 30 anni “, afferma.

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