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Rivoluzione al CERN di Ginerva, possibile scoperta di una nuova particella

Collider  - Sputnik Italia, 1920, 01.11.2021
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Nel 2017 gli scienziati partecipanti alla sperimentazione LHCb, presso il Large Hadron Collider del CERN, annunciarono la registrazione di deviazioni, rispetto al Modello standard di decadimento dei mesoni b.
I fisici di tutto il mondo rimasero stupefatti per la possibile scoperta di una nuova particella elementare o di una forza della natura precedentemente ignota, ma inizialmente fu necessario condurre ulteriori esperimenti ed effettuare un controllo incrociato dei calcoli.
Successivamente, i ricercatori del LHCb presentarono i dati integrali. Sputnik vi spiega se in quei dati vi sia qualche elemento che possa minare le teorie universalmente riconosciute circa la configurazione del mondo materiale.

Forze fisiche e Modello standard

È certo che esistono 4 interazioni fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. Queste forze della natura sono alla base di tutto ciò che esiste nell’Universo.
Il Modello standard descrive l’interazione elettromagnetica, debole e forte, delle particelle elementari. Si tratta della teoria più accreditata, sebbene non includa l’interazione gravitazionale e non consideri la materia e l’energia oscure.
Il Modello standard prevede 2 tipologie di particelle: i fermioni, che creano i blocchi di materia, e i bosoni, che gestiscono le interazioni tra particelle e costringono i fermioni a unirsi o a respingersi. Sulla base di queste interazioni si basano tutti i processi naturali: dal decadimento nucleare alla rifrazione della luce, finanche alle reazioni chimiche.
I quark, da cui derivano protoni e neutroni, sono dei fermioni. Ve ne sono di 6 tipi o, come dicono i fisici, “sapori”. A ognuno corrisponde un’antiparticella con valori quantici opposti. I mesoni, invece, sono particelle instabili, composte in egual numero da quark e antiquark. Inoltre, alla categoria dei fermioni appartengono i leptoni: elettroni, muoni, tauoni e neutrini.
Studiando i quark, i fisici hanno appurato che questi sono raggruppati in 3 generazioni, le quali si distinguono solamente per la loro massa. I leptoni si comportamento in maniera analoga.
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Il mistero dei quark

Per confermare sperimentalmente il Modello standard e una eventuale sua estensione, presso il CERN di Ginevra è stato costruito l’acceleratore di particelle più grande al mondo, il Large Hadron Collider (LHC). La sua più importante scoperta fu quella del bosone di Higgs nel 2012, ma il suo lavoro continua. Diversi gruppi di scienziati lavorano in parallelo sul LHC a vari esperimenti di lungo periodo. Uno di questi, il LHCb, è dedicato allo studio dell’assimetria dei quark bottom (o beauty), ossia i quark pesanti di terza generazione. La domanda fondamentale è capire se vi siano divergenze di interazione tra quark e leptoni di diverse generazioni.
Quark come i mesoni b vivono in media circa 1.500 miliardesimi di secondo prima di disgregarsi in elettroni e muoni. Il Modello standard prevede che in questo processo non siano coinvolte altre forze, se non le nucleari deboli, e che, di conseguenza, si venga a creare un numero uguale di elettroni e muoni. Gli scienziati del LHCb hanno deciso di verificare proprio questo.
“Finora, tutte le interazioni tra leptoni di varie generazioni sono state assolutamente universali, ma, ad un tratto, ci siamo accorti di alcuni segnali che indicavano anomalie nel decadimento di quark di terza generazione in leptoni di prima e seconda”, spiega Andrey Golutvin, uno dei partecipamenti all’esperimento LHCb.
“L’elettrone appartiene alla prima generazione di leptoni, mentre il muone, che è più pesante, alla seconda”, spiega Igor Boyko, scienziato del Laboratorio di scienza nucleare presso l’Istituto unito russo di studi nucleari, nonché ex collaboratore del LHC.
“Il Modello standard postula che particelle di generazioni diverse presentano medesima forza di interazione, ossia carica, e si distinguono soltanto per la loro massa. Se si evidenziassero delle divergenze a livello di generazione delle particelle, questo rivoluzionerebbe l’intera fisica contemporanea e bisognerebbe creare una teoria del tutto nuova a sostituzione del Modello standard”.
Gli scienziati sperano che muoversi in questo senso ci possa aiutare a rispondere alle cosiddette grandi domande della fisica contemporanea: di cosa è composta la materia oscura? Perché vi sono squilibri tra materia e antimateria?
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Quando la precisione conta

I primi dati che evidenziavano una quantità diversa di elettroni e muoni durante il decadimento dei mesoni b furono pubblicati nel 2017, ma la precisione della stima effettuata all’epoca era di circa 2,5 sigma. Ciò significa che la probabilità di errore era pari a circa l’1%, il che non consentiva di parlare propriamente di una scoperta.
“La fisica è regolata da criteri stringenti. Una scoperta si ha con una precisione di oltre 5 sigma, cioè con una probabilità di errore infinitamente piccola. Fino ad allora si parla sempre di ‘segnali’ per essere cauti”, osserva Boyko.
L’esperimento LHCb è portato avanti e nel marzo di quest’anno sono stati pubblicati dei dati più precisi. Dopo aver analizzato migliaia di miliardi di interazioni, si è calcolato che i muoni, durante il decadimento dei quark b, si formano con una frequenza inferiore rispetto agli elettroni, di circa 0,85 a 1.
Questa volta la precisione era di 3 sigma e la probabilità di errore si è abbassata allo 0,3%. Tuttavia, questi valori sono ancora insufficienti per poter parlare di scoperta. Si trattava infatti di una banca dati limitata.
Oggi, invece, sono state presentate le statistiche complete. Ma chi si aspettava una confutazione del Modello standard è rimasto deluso. Infatti, i calcoli hanno dimostrato che la formazione di muoni avveniva circa il 70% più frequentemente rispetto a quella degli elettroni, ma con una precisione di soltanto 1,5 sigma. I valori definitivi si sono attestati a metà strada tra le deviazioni osservate e le previsioni del Modello standard. Dunque, non è possibile né confermare né confutare la violazione dell’universalità dei leptoni.
Per risolvere la questione sono necessarie ulteriori osservazioni, ritengono gli scienziati. Al momento si sta lavorando per perfezionare l’esperimento LHCb. Presto i ricercatori saranno in grado di registrare interazioni che si verificano a una velocità molto maggiore in modo da aumentare la precisione delle misurazioni.

Nuova forza o nuova particella

Se anche ipotizzassimo che i risultati saranno confermati, ciò non significherebbe che il Modello standard fosse del tutto da buttare. Infatti, il fenomeno osservato potrebbe essere giustificato dall’inclusione nel Modello di una quinta forza che esercita un impatto diverso su elettroni e muoni, oppure ancora dalla presenza di una nuova particelle ad oggi ignota.
“Esistono modelli che ipotizzano l’esistenza di una nuova classe di particelle, i leptoquark, i quali violano la simmetria tra elettroni e muoni, ma per provare a rilevarli è necessario svolgere esperimenti del tutto diversi. Se li riveleremo, probabilmente daremo risposta alle grandi domande sulla materia oscura e l’antimateria”, sostiene Golutvin.
L’ipotesi dei leptoquark prevede l’esistenza di particelle che, scambiandosi, consentono a quark e leptoni di interagire vicendevolmente e, secondo lo scienziato, si tratta di un’ipotesi del tutto verosimile. Anche in passato, quando fu scoperta la violazione dell’universalità dei neutrini di diverse generazioni, i fisici, per spiegare le oscillazioni (la mutua transizione di neutrini di diverse generazioni), proposero di cercare una nuova particella, il neutrino sterile, che però non è ancora stata rilevata.
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