Una piccola crepa nel Modello Standard?

Una piccola anomalia negli esperimenti CMS e ATLAS condotti ad LHC potrebbe nascondere la presenza di una nuova particella elementare non prevista dal modello standard attuale. La scoperta, se confermata in futuro da altri esperimenti, potrebbe portare ad una sostanziale revisione dell’intero modello delle particelle.

Il rivelatore ATLAS al CERN (immagine da Flickr).
Il rivelatore ATLAS al CERN (immagine da Flickr).

La notizia di questi giorni 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 come 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.

I dati presentati da ATLAS: in rosso il fondo “già conosciuto” e in nero i dati sperimentali, si nota un piccolo eccesso a 750 GeV (più evidente nel grafico sottostante, in cui il fondo è stato “spianato”, immagine di ATLAS)
I dati presentati da ATLAS: in rosso il fondo “già conosciuto” e in nero i dati sperimentali, si nota un piccolo eccesso a 750 GeV (più evidente nel grafico sottostante, in cui il fondo è stato “spianato”, immagine di ATLAS)
Il picco nei dati di CMS: anche in questo caso vediamo un eccesso di eventi intorno a 750GeV (immagine di CMS).
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.

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12 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Beh, accidenti... Addirittura 750 Gev... Magari, è un'altro Higgs....
    Comunque, se confermata, scoperta decisamente ghiotta! E tutta europea! (E tanto tanto italiana... )

  2. Esattamente. Il fatto che la misura sia significativa con due diversi esperimenti è importante, ma chiaramente si vuol essere sicuri, per cui c'è bisogno di misure ancora più precise.

  3. @Enrico Corsaro, perchè ho l'impressione che si stia aspettando che questa piccola crepa di venti un burrone? E' come se senza una "nuova" fisica siano tutti in attesa di sapere da che parte andare. I grandi dubbi sembrano tutti al palo o sbaglio?

  4. IL modello standard non può essere in grado di spiegare il mondo... Perché ad esempio non spiega materia e energia oscura... e poi ci sono famiglie di particelle apparentemente inutili....

    Eppure sperimentalmente continua ad essere confermato!
    Ma sappiamo che deve essere imperfetto, incompleto... quindi trovarne una lacuna a livello sperimentale sarebbe il graal della fisica...

    Ecco cosa fanno i fisici: al di là di ciò che pensa la gente, i fisici non cercano di dare coerenza ad un idea che si sono fatti... al contrario: tentano in tutti i modi di demolirla! Questo perchè sono intelligenti e con la mente aperta e sanno cosa significa scienza, e sanno cosa significa ricerca...

  5. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    @Enrico Corsaro, perchè ho l'impressione che si stia aspettando che questa piccola crepa di venti un burrone? E' come se senza una "nuova" fisica siano tutti in attesa di sapere da che parte andare. I grandi dubbi sembrano tutti al palo o sbaglio?
    Perchè di fatto mancano molti tasselli, importanti, non ancora spiegabili, tra cui la gravità e i componenti oscuri dell'Universo. Per confermare però un rilevamento del genere i fisici tipicamente si affidano al livello di confidenza di 5 deviazioni standard, praticamente equivalente ad una certezza assoluta. In verità secondo il mio punto di vista le cose sono più complicate di così, perchè la statistica adottata in questi casi è semplicistica e sulla base della mia esperienza in questo campo bisogna stare molto attenti.

  6. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    IL modello standard non può essere in grado di spiegare il mondo... Perché ad esempio non spiega materia e energia oscura... e poi ci sono famiglie di particelle apparentemente inutili....
    Inutili no ma certamente esotiche e che giocano un ruolo solo in particolari contesti. Questo non significa che non debbano comunque essere spiegate e riprodotte da un modello.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Ecco cosa fanno i fisici: al di là di ciò che pensa la gente, i fisici non cercano di dare coerenza ad un idea che si sono fatti... al contrario: tentano in tutti i modi di demolirla! Questo perchè sono intelligenti e con la mente aperta e sanno cosa significa scienza, e sanno cosa significa ricerca...
    Esatto, tenere la mente aperta è fondamentale ma non tutti i fisici lo fanno, o lo fanno come dovrebbe essere fatto. Di base comunque il modello standard è appunto un modello, cioè è una approssimazione per definizione e cioè è una visione incompleta della realtà. Migliorare i modelli, cioè cercare prove per confutarli, è sempre un lavoro di prima linea per i fisici.

  7. Ciao Enrico, colgo l'occasione, o meglio l'argomento, per chiederti che fine ha fatto la serie di articoli sul Modello Standard.

    Mi pare che siamo fermi alla 3^ puntata. Ce ne saranno altre? Sono molto interessanti e quindi spero proprio di si!

  8. Si senz'altro. Non è stato un periodo di grandi possibilità da parte mia, per cui non ho avuto tempo di continuare la scrittura. Se riesco con piacere carico il quarto prima della fine di questo periodo di vacanze. Continuerò a trattare l'argomento della CBR ma inquadrato sul modo in cui viene utilizzato per il modello cosmologico standard.