Gli scienziati che lavorano nella collaborazione CMS hanno riportato la probabile scoperta di una particella sconosciuta che decade in muoni con una massa totale di 28 GeV. Attualmente, nessun modello teorico prevede l'esistenza di questa particella, ma gli scienziati sperano che questa anomalia non sia il risultato di un errore statistico. Il preprint dell'osservazione è disponibile nel repository arXiv.org. Vi parleremo in dettaglio dello studio, che può rivelarsi sia una scoperta rivoluzionaria che un altro sbuffo.
Bobina infernale
Il Compact Muon Solenoid, o CMS (Compact Muon Solenoid), è un grande rivelatore di particelle elementari situato presso il Large Hadron Collider (LHC). Questo gigantesco dispositivo con un diametro di 15 metri e un peso di 15mila tonnellate è progettato per la ricerca della Nuova Fisica - fisica oltre il Modello Standard. Se il Modello Standard descrive le proprietà di tutte le particelle elementari conosciute (e alcune non sono ancora state confermate), allora le ipotesi nell'ambito della Nuova Fisica cercano di spiegare vari fenomeni che rimangono ancora un mistero per gli scienziati.
Secondo una delle ipotesi - la supersimmetria - ogni particella elementare conosciuta corrisponde a un superpartner con una massa più pesante. Ad esempio, il partner dell'elettrone, che è il fermione, è il bosone selettrone, e il partner del gluone (che è il bosone) è il fermione gluino. Tuttavia, la mancanza di risultati per confermare la supersimmetria ha portato al fatto che questo modello viene abbandonato da sempre più scienziati.
Le collisioni protone-protone avvengono all'interno del rivelatore. Ogni protone è composto da tre quark tenuti insieme dal campo gluonico. Ad una velocità elevata, paragonabile alla velocità della luce, il campo gluonico si trasforma in una "zuppa" di particelle - gluoni. In una collisione frontale di protoni, solo pochi quark o gluoni interagiscono tra loro, il resto delle particelle vola senza ostacoli. Si verificano reazioni che producono molte particelle di breve durata e vari rivelatori CMS registrano i loro prodotti di decadimento, compresi i muoni. I muoni assomigliano agli elettroni, ma 200 volte più massicci.
Con l'aiuto di rilevatori situati all'esterno del solenoide, gli scienziati sono in grado di tracciare le traiettorie dei muoni con elevata precisione e determinare cosa ha causato esattamente l'aspetto di una particolare particella. È necessario un gran numero di collisioni protone-protone per aumentare le possibilità di produrre una particella rara che si disintegra in muoni. Ciò genera una quantità astronomica di dati (circa 40 terabyte al secondo) e, per trovare rapidamente qualcosa di insolito in essi, viene utilizzato uno speciale sistema di trigger che decide quali informazioni registrare.
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Il fantasma dentro
Il CMS, insieme al rivelatore ATLAS, anch'esso situato presso l'LHC, è stato utilizzato per cercare il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Questa particella è responsabile della massa dei bosoni W e Z (portatori dell'interazione debole) e della mancanza di massa nel fotone e nel gluone. Nel 2012 è stato scoperto il bosone di Higgs con una massa di 125 GeV. Tuttavia, gli scienziati ritengono che potrebbero esserci altri bosoni di Higgs di massa inferiore al di fuori del modello standard. Sono previsti dal modello di Higgs a due doppietti e dall'NMSSM (modello standard supersimmetrico prossimo al minimo). Nonostante tutti i test sperimentali, gli scienziati non sono ancora stati in grado di provare o confutare queste ipotesi.
Gli scienziati del CMS stanno cercando altre particelle esotiche leggere. Questi includono, ad esempio, i fotoni oscuri, portatori di un'interazione fondamentale completamente nuova, che ricorda l'elettromagnetismo e che sono analoghi ai fotoni della materia oscura. Un'altra particella ipotetica è l'analogo oscuro del bosone Z.
I fisici hanno condotto un esperimento per trovare prove dell'esistenza di un bosone leggero, che viene emesso da una coppia di graziosi quark (quark b) e decade in un muone e un anti-muone. Durante l'esperimento di collisioni protone-protone ad un'energia nel sistema centro di massa (un sistema in cui le particelle hanno momenti uguali e diretti in senso opposto) pari a 8 TeV, sono stati registrati un numero di eventi probabilmente associati ad un ipotetico bosone.
Il primo tipo di eventi include la comparsa di un getto di quark b al centro del rivelatore e la sua parte anteriore, e il secondo - la comparsa di due getti al centro e non un singolo getto nella parte anteriore. In entrambi i casi è stato osservato un eccesso delle coppie emergenti di muoni e la massa delle coppie, come mostrato dalla successiva analisi, ha raggiunto i 28 GeV. La differenza nel numero di coppie di muoni dai valori di fondo per gli eventi del primo tipo è di 4,2 deviazione standard (sigma), e per gli eventi del secondo tipo è di 2,9 sigma.
Morte della fisica
Nella fisica delle particelle, una differenza di cinque sigma indica una certa esistenza di un'anomalia che non potrebbe essere sorta per caso. Tuttavia, se la differenza si trova nell'intervallo 3-5 sigma, i fisici dicono che questo indica solo l'esistenza di una nuova particella. In quest'ultimo caso, è necessario ottenere molti più dati per confermare (o smentire) il risultato, al fine di escludere errori di elaborazione e interpretazione dei dati. Se tutto è confermato, allora possiamo dire che i muoni sorgono a causa del decadimento di una particella della Nuova Fisica.
Non è la prima volta che si osserva un fenomeno all'LHC che non rientra nel Modello Standard. Nel 2016, i fisici hanno annunciato la scoperta di segni dell'esistenza di una risonanza corrispondente a un'enorme particella di breve durata. È stato registrato nel 2015 come un eccesso di coppie di fotoni con una massa totale di 750 GeV, in cui questa particella presumibilmente decade. In altre parole, questa particella avrebbe dovuto essere sei volte più massiccia del bosone di Higgs. Tuttavia, l'analisi dei dati raccolti successivamente al collisore non ha confermato questo risultato.
Fino ad ora, i fisici non hanno trovato tracce affidabili dell'esistenza della Nuova Fisica. Tuttavia, non c'è dubbio che dovrebbe esistere, perché il Modello Standard non è in grado di spiegare fenomeni come il problema della gerarchia delle masse di fermioni (viene introdotto un ipotetico bosone di Goldstone per risolverlo), l'esistenza della massa nei neutrini, l'asimmetria di materia e antimateria, l'origine dell'energia oscura e altri. La presenza stessa della materia oscura nell'Universo presuppone un'intera classe di particelle ipotetiche con proprietà esotiche che la compongono. Paradossalmente, tutto ciò che gli scienziati sono stati in grado di fare finora è confermare sperimentalmente l'esaurimento del Modello Standard.
Alcuni scienziati suggeriscono che se è possibile dimostrare la Nuova Fisica, dovrebbe essere fatto in un futuro molto prossimo, entro i prossimi anni. Altrimenti si potrà seriamente temere che l'umanità non sarà più in grado di fare scoperte significative. È incoraggiante che negli ultimi tempi siano state riscontrate sempre più anomalie sugli acceleratori, suggerendo che gli scienziati sono sull'orlo di qualcosa di completamente nuovo.
Alexander Enikeev
