BOSONI TROPPO MASSICCI E NEUTRINI EVANESCENTI

Bosoni eccessivamente pesanti e neutrini che vogliono scomparire sono i protagonisti della sfida della fisica moderna al Modello Standard.

Avevamo già discusso di come il Modello Standard delle particelle elementari fosse il necessario punto di partenza per la descrizione dell’Universo. La realtà in cui viviamo è, tuttavia, ben più complessa: nuovi modelli fisici, accompagnati da esperimenti all’avanguardia, hanno dimostrato che non possiamo accontentarci di quanto sappiamo. La conoscenza delle particelle e delle interazioni fondamentali deve essere raffinata e i grandi punti interrogativi del nostro presente richiedono un’estensione delle attuali teorie. Si parla, quindi, di una fisica Oltre Il Modello Standard.

Il settore della fisica particellare sperimentale può vantare importanti esperimenti, i cui risultati potrebbero minare l’accuratezza del Modello Standard, così come lo conosciamo oggi.

CUORE, alla ricerca di decadimenti improbabili

I neutrini sono ovunque nel nostro Universo e fanno anche parte della cosiddetta radiazione cosmica primaria che bombarda la Terra. Si pensi che ogni secondo, su un metro quadrato della sommità atmosferica, incidono circa 100 mila particelle provenienti dallo spazio.

Tuttavia, alcune delle loro caratteristiche li rendono degli attori complessi. Infatti, interagiscono solo per interazione debole, che è molto meno intensa della forza forte o di quella elettromagnetica, con la conseguenza che passano indisturbati la materia, senza interagire. Per un fisico sperimentale questo è un problema! Senza interazione, non esiste osservazione e quindi rivelazione. La loro esistenza è stata postulata decenni fa, ma solo recentemente si è scoperto che hanno massa, seppur piccolissima. Si parla di circa 10-38 kg.

La loro sfida al Modello Standard si riassume nella frase: i neutrini sono le antiparticelle di loro stessi? Ad ogni particella nota, associamo la propria antiparticella, che sarebbe il corrispettivo di antimateria. Ettore Majorana ipotizzò l’esistenza dei fermioni di Majorana, ovvero particelle fermioniche che sono anche la propria antiparticella. I neutrini rientrano nella categoria dei fermioni, cioè di particelle che ubbidiscono alla statistica di Fermi-Dirac, e quindi sono candidati ad avere questo comportamento anomalo.

L’interesse verso i fermioni di Majorana è giustificato dalla nota asimmetria materia-antimateria. Secondo studi recenti la quantità di antimateria nell’Universo è un fattore 10-10 rispetto alla quantità di materia. Questa asimmetria risale alle primissime fasi del Big Bang e la sua origine è tutt’oggi dibattuta nella comunità.

In questo scenario si inserisce l’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), che cerca negli atomi di tellurio il doppio decadimento beta senza neutrini. Il decadimento beta è una forma di radioattività nella quale un neutrone atomico muta in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino. Nel doppio decadimento beta questo avviene per due neutroni, che mutano simultaneamente in protoni, emettendo due elettroni e due antineutrini. Se il neutrino fosse un fermione di Majorana, i due antineutrini coinvolti, essendo particelle e antiparticella allo stesso tempo, si potrebbero annichilire vicendevolmente, dando luogo a una emissione priva di neutrini, ma solo con elettroni.

Apparato dell’esperimento CUORE. Le torri contengono ossido di tellurio.

L’esperimento CUORE, situato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, cerca questo rarissimo decadimento utilizzando 700 kg di ossido di tellurio purissimo. Questa quantità è necessaria per controbilanciare la vita media del processo: in media ci vuole più di un miliardo di volte l’età dell’Universo affinché un atomo di tellurio decada doppio beta standard, cioè con neutrini. Il doppio beta senza neutrini è ancora più raro, ma CUORE dispone di miliardi di miliardi di atomi di tellurio nei suoi cristalli.

È quindi in grado di combattere le sfortunate previsioni statistiche e di osservare più di una volta al giorno il doppio beta standard. Il doppio beta senza neutrini non è stato ancora osservato, ma la ricerca è costante ed è sempre più necessario sopprimere il rumore di fondo, motivo per cui CUORE è situato 1400 m sotto la roccia, nella sale sotterranee dei Laboratori, schermando così l’apparato dalla radiazione cosmica primaria.

La mancata osservazione del fenomeno consente comunque di porre dei limiti superiori alla vita media del processo e si stima che il tellurio impieghi più di 20 milioni di miliardi di anni per decadere.

La massa del bosone W non è mai stata così precisa

La collaborazione CDF (Collider Detector al Fermilab) consta di 400 scienziati e 54 istituti di ricerca distribuiti in 23 diversi paesi del mondo. Si tratta di un rivelatore per la fisica delle particelle elementari che studia i prodotti delle collisioni protone-antiprotone nell’acceleratore Tevatron di Chicago, dove l’energia delle collisioni può raggiungere i 1.96 TeV. La fase di presa dati è terminata tempo fa e, dopo 10 anni di analisi, nei giorni scorsi la collaborazione ha affermato di aver determinato con precisione straordinaria la massa del bosone W.

Nel Modello Standard, i bosoni sono le particelle responsabili della mediazione delle forze fondamentali. Quelli associati alla forza debole sono i bosoni W e Z, la cui importanza è legata anche ai decadimenti radioattivi che alimentano il Sole. Il bosone Z esiste solo come stato neutro. I W esistono sia con carica positiva che con carica negativa. Scoperto da Carlo Rubbia e Simon van der Meer, il bosone W è una delle poche particelle alla quale il Modello Standard è in grado di fornire una massa precisa e la sua misura è una sfida ai pilastri della fisica moderna.

Collider Detector al Fermilab

Le complesse computazioni del Modello Standard legano la massa del bosone W a quella del quark top, scoperto al Tevatron del Fermilab, e a quella del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al LHC del CERN. Si stima un valore atteso pari a 80.357 +/- 6 GeV/c2. Dopo anni di studio, la recentissima misura ha portato a stimare per il W una massa di 80.433 GeV/c2 con una incertezza di +/- 9 GeV/c2. La precisione ottenuta è frutto dello studio di oltre 4.2 milioni di candidati bosoni W, utilizzando così un campione statistico 4 volte più ampio di quanto fatto in passato.

L’importanza del risultato è anche nel fatto che la differenza ha una significatività statistica superiore a 7σ, il che significa che c’è una probabilità di 1 su 780 miliardi che quanto ottenuto sia solo frutto del caso.

Il risultato numerico è in accordo con esperimenti precedenti, ma non con il valore teorico del Modello Standard. La differenza tra valore teorico e valore sperimentale deve essere giustificata. Sarà quindi compito della comunità di fisici teorici e sperimentali capire se questa discrepanza sia dovuta ad una nuova particella subatomica o all’esistenza di una nuova interazione fondamentale. Ciò è quanto spiega David Toback, co-responsabile del CDF.

Per approfondimenti si rimanda ai seguenti articoli:

  1. https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/?fbclid=IwAR2r609AnHpGg-GPTii7Ft9bFcA3QSPAUp6w41A2ELGXEQ46dkCmuCaQ61Q
  2. https://home.infn.it/it/comunicati-stampa/4813-cuore-mette-nuovi-limiti-all-insolito-comportamento-dei-neutrini?fbclid=IwAR1VtPj6TFvj2IAxg5nCuGM5408WiH4qEMJEAAaXrk4HlhWjjEjc7I9_dEM

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