Modello standard messo in crisi da altre particelle. Oltre il Bosone c’è altro, presto anche nuove particelle.
La notizia di questi giorni, 18 dic. 2015, è che ATLAS e CMS, i due più grandi esperimenti di LHC al CERN, hanno “visto” nei loro dati una piccola anomalia, a energia molto alta. Questa anomalia potrebbe essere legata all’esistenza di una particella completamente nuova, con una massa 5 volte più grande delle particelle più pesanti conosciute finora. I dati sono finora troppo scarsi per saltare sulla sedia e festeggiare per l’apertura di un nuovo capitolo nei libri di fisica delle particelle, ma rappresenta per la comunità dei fisici una nuova speranza per, finalmente, trovare una crepa nel Modello Standard delle particelle elementari che, da molti anni, resiste a ogni attacco.
Quello che chiamiamo Modello Standard è un insieme di equazioni, in effetti un po’ complicate e oscure, ma tutto sommato semplici se pensiamo all’infinità di fenomeni che vediamo nell’Universo. Per i fisici, tra “modello” e “teoria” c’è una grossa differenza: quando parliamo di modelli è perché già sappiamo che c’è qualcosa che manca. Nel Modello Standard manca la gravità, ad esempio, ma anche quel 95% di massa che nell’Universo c’è, o almeno pare esserci, e non vediamo, e che chiamiamo materia ed energia oscura.
Da quando è stato sviluppato, nella seconda metà del secolo scorso, sono stati fatti esperimenti per trovare delle violazioni a questo modello. Sappiamo che ci devono essere, ma non siamo (ancora) riusciti a vedere nulla che non fosse compatibile con le nostre equazioni. Al contrario di quello che pensano molti complottisti là fuori, trovare il modo di falsificare una teoria o un modello unanimemente accettato è il Sacro Graal del ricercatore, significa fama imperitura… almeno fino alla rivoluzione successiva.
Ma torniamo al Modello Standard. Come spiegava in modo conciso ed elegante Yosef Nir, professore di fisica teorica al Weizmann Institute di Rehovot, università di eccellenza in Israele e nel mondo, un modello è definito da tre ingredienti: quali particelle esistono, che simmetrie soddisfano e in che modo queste simmetrie sono violate. Il Modello Standard contiene 6 quark, ognuno di tre colori, tre leptoni carichi, elettrone, mu e tau, e tre neutrini, oltre alle rispettive antiparticelle. Ci sono simmetrie* che generano nelle equazioni i termini che descrivono le interazioni elettromagnetiche e nucleari deboli e forti e la violazione di una di queste simmetrie genera nelle equazioni il campo di Higgs, che dà la massa a tutte le particelle e che è valso il Nobel a Higgs e a Englert nel 2013.
Per i fisici delle particelle, il Modello Standard è il Testo Sacro da cui tutto emana, ma anche qualcosa che, sappiamo con certezza, dovremo rivedere non appena un esperimento ci mostrerà che abbiamo raggiunto i suoi limiti. Potremmo essere un po’ più vicini a quel giorno, grazie a questa piccola anomalia a 750 GeV.
Il picco nei dati di CMS: anche in questo caso vediamo un eccesso di eventi intorno a 750GeV (immagine di CMS).
– Parte noiosa e difficile su come questa anomalia è stata osservata –
ATLAS e CMS sono due rivelatori in grado di ricostruire tutte le particelle che vengono prodotte in una collisione tra protoni accelerati a energia molto alta da LHC, il più grande sincrotrone mai costruito al mondo. Ricostruendo energia e quantità di moto di ogni particella rivelata, è possibile ricostruire eventuali particelle che sono state prodotte nell’interazione e che sono decadute immediatamente.
Si procede in questo modo. Per ogni coppia di particelle rivelate e appartenenti a una singola collisione si ricostruisce la massa invariante, usando le equazioni della relatività ristretta, di una eventuale particella genitrice. In questo caso, sono state analizzate coppie di fotoni ad alta energia, quello che i fisici chiamano “canale gamma-gamma”. Facendo scontrare protoni di alta energia si ottengono un sacco di coppie di fotoni, per processi ben noti legati alle interazioni tra quark: queste coppie di fotoni hanno una distribuzione in massa invariante simile a un enorme panettone, su cui non si evidenziano strutture particolari. Se invece si formasse qualche particella che decade immediatamente o quasi, sarebbe possibile osservare un eccesso di eventi, cioè un picco che fuoriesce da questo panettone, in corrispondenza di una determinata massa.
Gli esperimenti del CERN hanno, nei loro risultati preliminari, alcune decine di eventi in eccesso intorno a una massa di 750 GeV. Una particella con questa massa peserebbe l’equivalente di una quindicina di atomi di ferro, circa 5 volte più della massa del Bosone di Higgs o del quark Top, le particelle elementari più pesanti conosciute finora. Se questa particella fosse confermata sarebbe un nuovo ingrediente da aggiungere al Modello Standard, ma i dati che abbiamo finora sono troppo scarsi per avere una ragionevole certezza statistica che esista veramente Vista la grande solidità che questo modello ha dimostrato finora, la scoperta di una particella non prevista porterà a dover rivederne una gran parte. La curiosità è molto grande, ma, come si dice sempre in questi casi, la prudenza è d’obbligo.
(*): in fisica delle particelle, il concetto di “simmetria” è qualcosa di più generale di quello a cui siamo abituati nella vita quotidiana: sono simmetrie sia l’inversione degli assi spaziali (come la riflessione allo specchio) che dell’asse temporale, ma anche lo scambio di una particella con un’altra, le rotazioni e alcune altre trasformazioni degli enti matematici che descrivono le particelle stesse, i campi quantistici.
Immagine di copertina: il rivelatore ATLAS al CERN (immagine da Flickr)