Ottenuta al Cern una misura ancora più precisa della massa del bosone W, 35 anni dopo la sua scoperta

I ricercatori del progetto Atlas, uno tra i più grandi esperimenti in corso al Cern di Ginevra, l’organizzazione europea per la ricerca nucleare, hanno calcolato, con elevata precisione, la massa della particella W. Lo studio, pubblicato su European Physical Journal C, ha valutato i dati ottenuti dalle collisioni protone-protone generate dal Large Hadron Collider (Lhc), il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo. La misura della massa del bosone W permetterà di perfezionare il modello standard della fisica, la teoria che descrive le interazioni tra particelle elementari.

Facciamo un passo indietro. La prima domanda alla quale rispondere è: che cos’è un bosone? In fisica vengono definite bosoni tutte le particelle subatomiche responsabili di interazioni. Le interazioni possibili, per quello che sappiamo, possono essere di quattro tipi: debole, forte, elettromagnetica e gravitazionale. Le prime tre vengono descritte dal cosiddetto modello standard delle particelle elementari, una costruzione teorica che serve a spiegare la struttura della materia. Le previsioni del modello, nel corso degli anni, sono state più volte validate da diversi esperimenti.

da sinistra: Carlo Rubbia, Simon van der Meer (Credits: www.nobelprize.org)

Tra questi, uno dei più importanti è stato quello che ha portato all’identificazione dei bosoni W e Z, nel 1983, da parte del fisico italiano Carlo Rubbia e dell’ingegnere olandese Simon van der Meer. La sensazionalità della scoperta fece sì che, l’anno successivo, il premio Nobel per la fisica venisse assegnato ai due ricercatori. I bosoni W e Z sono i mediatori delle interazioni deboli, ovvero delle forze che rendono possibile il decadimento di particelle elementari più pesanti in particelle più leggere. Nonostante la scoperta risalga a più di 30 anni fa, misurare con elevata precisione la massa del bosone W è considerata ancora oggi una delle sfide più difficili della fisica delle particelle, a causa di particolari segnali registrati durante il decadimento.

Il bosone W è tra le particelle elementari più pesanti. I ricercatori del Cern di Ginevra hanno calcolato che la sua massa è pari a 80370±19 milioni di elettronvolt (1 eV è l’energia di un elettrone che si muove tra due punti con differenza di potenziale di 1 volt), ovvero quasi 100 volte più pesante di un protone. Per ottenere questo valore sono stati utilizzati i dati derivati da circa 14 milioni di bosoni W rilevati dall’esperimento Atlas nel corso di un solo anno, il 2011. La misura della massa, la più precisa finora, è stata ricostruita indirettamente tramite lo studio dei prodotti di decadimento. Data la complessità dell’analisi, ci sono voluti quasi 5 anni affinché si riuscisse a raggiungere questo risultato. “Ottenere una simile precisione con un solo anno di dati ci permette di avere fiducia nella nostra capacità di migliorare la conoscenza del modello standard e cercare segnali di nuova fisica anche attraverso questo tipo di misurazioni”, ha sottolineato Tancredi Carli, coordinatore del progetto Atlas.

Lo studio è stato condotto utilizzando l’acceleratore di particelle Lhc. Si tratta di un anello di 27 chilometri che può raggiungere un’energia di 14.000 miliardi di elettronvolt e all’interno del quale vengono generati campi magnetici di 10 Tesla, circa 200 mila volte più potenti del campo magnetico terrestre. Nell’acceleratore Lhc fasci di protoni, che viaggiano alla velocità della luce, collidono generando particelle più piccole e, in alcuni casi, non ancora note. L’acceleratore è stato progettato con lo scopo di osservare i fenomeni che riguardano le particelle più pesanti, come il bosone W o l’ormai celebre bosone di Higgs (che porta il nome di Peter Higgs, lo scienziato che per la prima volta ne ha teorizzato l’esistenza e che è stato insignito del premio Nobel per la fisica del 2013).

Misurare la massa del bosone W è fondamentale anche per comprendere meglio la natura della “particella di Dio”, ovvero il bosone di Higgs, e valutare la coerenza del modello standard. Ulteriori analisi dei dati raccolti dall’Lhc potrebbero, in futuro, perfezionare i risultati raggiunti fino a oggi.

Immagine in evidenza: Acceleratore di particelle Large Hadron Collider (Lhc) del Cern (Credits: www.flickr.com)