CERN, produzione simultanea di tre bosoni W e Z. I ricercatori: “è un evento rarissimo”

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10 mesi fa

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Tre bosoni mediatori della forza debole (W e Z) sono stati prodotti simultaneamente in un esperimento al CERN di Ginevra. L’evento è 50 volte più raro di quello usato per scoprire il bosone di Higgs.

Un team guidato da fisici del Caltech sono riusciti a osservare la produzione simultanea di tre bosoni W e Z, mediatori della forza debole in un esperimento al Large Hadron Collider (LHC) presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) a Ginevra. L’esperimento è stato svolto all’interno del Compact Muon Solenoid (CMS) e l’evento, davvero molto raro, potrebbe aiutare a portare la fisica oltre la sua attuale comprensione del mondo.

Lo scopo di CMS è molto vasto e comprende non solo lo studio di bosoni, ma anche l’indagine di possibili ulteriori dimensioni (oltre le quattro conosciute) e di particelle che potrebbero costituire la materia oscura.

Ma torniamo all’esperimento facendo prima una brevissima introduzione su cosa siano i bosoni in generale e questi W e Z rilevati in particolare.

Il nostro universo è dominato da quattro forze fondamentali: l’interazione debole, l’interazione forte, l’interazione elettromagnetica e l’interazione gravitazionale.

Il Modello Standard (MS) è l’attuale modello che usiamo per descrivere tali forze e le particelle a esse collegate, è riuscito a unificare le tre che descrivono il mondo microscopico, ma è rimasta fuori, per ora, quella gravitazionale e gran parte degli sforzi dei fisici di tutto il mondo sono volti a trovare una teoria che unifichi anche la forza gravitazionale. Questo significherebbe, in parole molto semplici, riuscire a trovare un raccordo tra il mondo microscpico, governato dalle leggi della meccanica quantisticca e quello macroscopico, descritto dalla relatività generale.

Ma queste forze come agiscono? È qui che entrano in gioco i bosoni.

Tali particelle sono i mediatori delle forze ossia vengono scambiati nelle interazioni tra altre particelle. Ognuna delle quattro forze fondamentali ha il suo bosone mediatore: il gluone g per la forza forte, il fotone 𝛾 per quella elettromagnetica, i bosoni 𝑊± e Z per la forza debole e non si sa nulla circa l’esistenza dell’eventuale bosone che media le interazioni gravitazionali, che è chiamato gravitone e infine il famoso bosone di Higgs, che responsabile nel dare massa a tutte le altre particelle.

La nuova osservazione riguarda la produzione simultanea di tre bosoni W o Z, ossia “particelle mediatori” subatomiche della forza debole, responsabile del fenomeno della radioattività, ingrediente essenziale nei processi termonucleari compresi quelli che avvengono nel Sole.

La principale autrice del lavoro è Zhicai Zhang della Caltech, membro del gruppo di ricerca di fisica delle alte energie guidato dai professore Harvey Newman e Shang-Yi Ch’en.

Gli eventi che producono il trio di bosoni si verificano quando intensi gruppi di protoni ad alta energia che sono stati accelerati a velocità prossime a quella della luce vengono fatti collidere frontalmente in alcuni punti del percorso circolare dell’LHC.

Quando due protoni si scontrano le particelle subatomiche da cui sono costituti vengono separati e, in questo frangente possono essere osservati i bosoni W e Z che, in casi molto rari, appaiono in triplette: WWW, WWZ, WZZ e ZZZ.

È un evento davvero rarissimo in quanto, dice Newman, tali triplette sono prodotte solo in una collisione protone-protone su 10 trilioni, ossia sono eventi 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.

Ha spiegato Newman.

È possibile che i bosoni W e Z interagiscano da soli, consentendo in un processo a cascata di crearne ancora di più e quindi generare eventi in cui si osservano due o tre bosoni enormi. La produzione di due bosoni massicci era già stata precedentemente osservata e misurata con buona precisione presso l’LHC.

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 essere in grado di studiare 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. Sappiamo quindi che esiste una teoria più fondamentale rispetto all’attuale modello e l’analisi di questi esperimenti potrebbe aiutarci a scoprirla.

Ha spiegato Newman

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 ancora non realizzate. Le moli di dati che abbiamo già raccolto rappresentano solo una piccola parte delle percentuali di ciò che prevediamo di raccogliere a seguito di importanti aggiornamenti sia del CMS sia dell’LHC. Siamo solo all’inizio di questo programma di fisica che si svilupperà nei prossimi 30 anni.

Conclude Newman.

 

 

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