Perché gli scienziati sono preoccupati per W Boson: “Qualcosa non va”

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Rivelatore di particelle all’interno della sala di collisione.

Fermilab

Potresti aver sentito parlare di protoni, che sono punti positivi che dimostrano atomi. Probabilmente ti sei imbattuto in elettroni, lampi negativi che vagano intorno a quei protoni. Potresti aver pensato ai fotoni e alle cose che escono dalle lampade nella tua stanza.

Ma per ora, dobbiamo preoccuparci di una strana particella che sfugge ai riflettori: il bosone W.

Insieme al suo complice, il bosone Z, il bosone W detta la cosiddetta “forza debole”. Ti salverò dalla tana del coniglio di come funziona la forza debole perché coinvolge la fisica che ci lascerà a bocca aperta. Fidati di me. Sappi solo che senza una forza debole, Il sole smetterà di bruciare.

Comunque, c’è un dramma con il bosone W. secondo Un articolo pubblicato giovedì sulla rivista Science, 10 anni di dati incredibilmente accurati indicano che la particella è più grande di quanto previsto dalla nostra fisica. A meno che tu non sia un fisico, a prima vista può sembrare banale. Ma in realtà è un grosso problema per… un po’ di tutto.

Più specificamente, solleva un paradosso del Modello Standard della fisica delle particelle, una teoria consolidata e in evoluzione che spiega come si comportano tutte le particelle dell’universo: protoni, elettroni, fotoni e persino quelli di cui non sentiamo davvero parlare come i gluoni , muoni, posso andare avanti. C’è anche il bosone W.

“È uno dei capisaldi del Modello Standard”, ha affermato Giorgio Chiarelli, direttore della ricerca presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, e coautore dello studio.

Ma questa è l’essenza del Modello Standard. È come il regno delle particelle simbiotiche. Pensa a ogni parte del modello come a un filo, perfettamente organizzato per legare tutto insieme. Se uno dei fili è troppo stretto, le cose iniziano a tremare, non importa quale stringa. In quanto tale, il modello standard prevede alcuni parametri per ogni “stringa” o particella e un fattore molto importante è la massa del bosone W.

In poche parole, se questa particella non è uguale a quella massa, il resto del modello non funzionerà perfettamente. E se è vero, dovremo cambiare il paradigma, dovremo cambiare la nostra comprensione di come Tutte le particelle nell’universo lavoro.

Bene, ricordi il nuovo foglio? Stiamo praticamente entrando in questo scenario peggiore.

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Un’immagine di particelle nel modello standard.

Fermilab

Un decennio di calcoli, misurazioni, esami incrociati, graffi alla testa e respirazione profonda di quasi 400 ricercatori internazionali ha concluso che il bosone W è leggermente più pesante di quanto previsto dal modello standard.

“Non è un’enorme differenza, ma possiamo davvero vedere chiaramente che è diverso”, ha affermato David Tobak, fisico delle particelle della Texas A&M University e coautore dello studio. “c’è qualcosa di sbagliato”.

Ti starai chiedendo se ne siamo sicuri. La comunità scientifica ha avuto la stessa reazione, motivo per cui i ricercatori si stanno ora concentrando sui laser per confermare che questa grande massa del bosone W è davvero la verità.

“Avremmo potuto sbagliare”, ha detto Tupac. Ma ha subito aggiunto: “Non la pensiamo così”.

Perché, spiega Tupac, il team “ha misurato questa minuscola differenza con incredibile precisione che sporge come un pollice dolorante”. Sorprendentemente, queste misurazioni sono in qualche modo simili all’inferenza dello stile della scena del crimine.

Guarda cosa manca

Per ottenere il bosone W in primo luogo, devi letteralmente distruggere due protoni insieme.

Ciò si traduce in una miriade di altre particelle del Modello Standard e gli scienziati devono solo sperare che una di queste particelle sia quella che vogliono esaminare. (In questo caso, questo è il bosone W).

Per le nuove misurazioni, i ricercatori hanno utilizzato i dati di collisione dell’acceleratore di particelle ora dismesso a Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois. Fortunatamente, ho creato alcuni bosoni W e, in effetti, ho conservato abbastanza dati di bosoni W per ottenere circa quattro volte la quantità utilizzata nelle misurazioni precedenti. Vincita del jackpot.

Ma c’è una complicazione. Il bosone W sta scomparendo. Si divide rapidamente in due particelle più piccole, quindi non puoi misurarlo direttamente. Uno di questi è un elettrone o un muone, che può essere Può essere misurato direttamente, ma l’altro è probabilmente più strano del bosone W stesso: un neutrino.

I neutrini sono giustamente chiamati “particelle fantasma” Perché non toccano niente. Stanno ingrandendo le tue foto ora, ma non puoi dirlo perché non toccano gli atomi che compongono il tuo corpo. Strano, lo so.

Questo ostacolo spettrale significa che gli scienziati devono essere creativi. Entra nell’arte della detrazione.

Una volta che i neutrini sono spariti, lasciano una specie di buco. “L’effetto neutrino manca di energia”, ha detto Chiarelli. “Questo ci dice dove è andato il neutrino e quanta energia è stata trasferita via”.

È più o meno lo stesso concetto dei raggi X. “I raggi X passano, ma fino al punto in cui c’è un pezzo di metallo, puoi vedere la forma”, ha detto Chiarelli. ‘Forma’ è ‘energia mancante’.

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Una veduta aerea del collisore del 1999.

Fermilab

Quindi, dopo aver decifrato il neutrino, gli scienziati hanno utilizzato una serie di equazioni complesse per combinarlo con i dati di elettroni o muoni. Questo porta alla massa totale del bosone W. Questa misurazione è stata eseguita molte volte per assicurarsi che tutto fosse il più accurato possibile. Inoltre, tutti i dati sono stati supportati da calcoli teorici maturati dall’ultima volta che è stato misurato il bosone W.

Eppure… c’è un’altra complicazione.

Come per tutti gli sforzi scientifici, non esiste una risposta giusta o sbagliata. C’è solo un file Risposta. Ma come con tutto il pensiero umano, c’è il potenziale per i pregiudizi e la squadra non vuole cadere vittima di un errore così personale. Tupac cita Sherlock Holmes come spiegazione della mentalità della squadra: “Bisogna trovare teorie che si adattino ai fatti, non fatti che si adattino alle teorie”.

“È più stressante?” Nota. “Sì, ma alla natura non importa della mia pressione. Quello che vogliamo è conoscere la risposta.”

Quindi, non solo il team ha controllato i propri dati due, tre o quattro volte, ma lo ha fatto completamente esonerato dalla risposta finale. Quando la scatola contenente il risultato della massa bosonica W è stata aperta, tutti lo stavano guardando per la prima volta.

Avanti veloce fino al 2020, quando le tensioni sono elevate, la scatola finalmente si apre e la massa del bosone W è in netto contrasto con le previsioni del Modello Standard.

“Non è stato un momento Eureka”, ha detto Chiarelli. “È stato un momento abbastanza realistico. Eravamo scettici. La scienza è organizzata nello scetticismo”.

Ma col tempo quel dubbio è svanito ed eccoci qui.

Sembra tutto molto solido. E adesso?

In un certo senso, questa informazione è arrivata da molto tempo. “Sapevamo fin dall’inizio che il Modello Standard non poteva essere la teoria definitiva”, ha detto Chiarelli.

Ad esempio, il noto Modello Standard non può spiegare la gravità, materia oscurae molti altri shuffle aspetti del nostro universo.

Un’idea è che questa nuova informazione sulla massa del bosone W potrebbe significare che dobbiamo aggiungere alcune particelle al Modello Standard per rendere conto del cambiamento. Questo, a sua volta, potrebbe influenzare ciò che sappiamo sul famoso bosone di Higgs, o “particella di Dio”, che è stato finalmente scoperto nel 2012 e incontrato Con un applauso incredibile.

“Ma non ci siamo”, ha detto Tupac. Sarebbe solo un’ipotesi”.

Piuttosto che speculare, Tupac e Chiarelli concordano sul fatto che dovremmo semplicemente seguire i fatti, anche se sappiamo che un giorno i fatti ci porteranno a una nuova teoria fondamentale della fisica delle particelle.

“È come muoversi nel buio”, ha detto Chiarelli. “Sai che c’è solo un modo giusto, ma non sai dove… forse la nostra misurazione può darci la giusta direzione per muoverci.”

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