Cosa succede se uno dei parametri fondamentali della teoria che regola la fisica delle particelle, il Modello Standard, viene misurato con un valore in contrasto con quello predetto dalla teoria stessa? Una qualsiasi deviazione dalle previsioni verrebbe accolta con grande entusiasmo dalla comunità scientifica, perché indicherebbe l’esistenza di processi fisici nuovi.
Il bosone W è una delle particelle elementari più pesanti tra quelle conosciute. La sua scoperta all’acceleratore SppS del CERN, risalente al 1983, si è guadagnata un anno dopo il Premio Nobel per la Fisica.
Il Modello Standard identifica il bosone W come il mediatore della forza debole carica, quella che, ad esempio, descrive il decadimento del neutrone in protone \(n\rightarrow p e \bar{\nu}_e\).
Il bosone W acquista massa dall’interazione con il campo scalare del bosone di Higgs, il responsabile della rottura spontanea della simmetria del Modello Standard. La massa del bosone W è legata dal Modello Standard alle masse del quark top e del bosone di Higgs; di conseguenza, migliorare la precisione della misura su questo parametro fondamentale è necessario per verificare la consistenza della teoria e studiare con più precisione le proprietà del bosone di Higgs. Qualsiasi deviazione dal valore della massa del bosone W predetto dal Modello Standard, potrebbe essere un’evidenza di nuovi fenomeni fisici.
L’esperimento ATLAS ha misurato per la prima volta ad LHC (Large Hadron Collider) la massa del bosone W. Il valore ottenuto, pari a (80370±19) MeV, raggiunge una precisione elevatissima (0.02%), considerando che è stata effettuata da un singolo esperimento. La misura si basa sull’analisi di 14 milioni di eventi contenenti un bosone W che decade nei canali elettronico e muonico, prodotti da interazioni protone-protone nel 2011, all’energia del centro di massa di 7 TeV.
Al Tevatron (il collider al Fermilab vicino Chicago che realizzava collisioni protone-antiprotone a \(\sqrt{s}=1.96\) TeV)
i bosoni W potevano essere prodotti anche da interazioni tra quark di valenza. A LHC invece, per produrre bosoni W con collisioni protone-protone sono necessarie interazioni che coinvolgono anche i quark “del mare”. In particolare, a LHC, circa 1/4 della produzione del W è dovuta all’interazione tra quark “del mare” di seconda generazione (quark charm e strange), aumentando le incertezze sulle previsioni teoriche.
La misura della massa del bosone W appena pubblicata da ATLAS, si basa su una serie di calibrazioni estremamente raffinate del rivelatore ATLAS e dei modelli teorici che descrivono la produzione del W. Queste calibrazioni sono state effettuate su eventi dove vengono prodotti bosoni Z, e vengono utilizzate come validazione della procedura di analisi riducendo l’incertezza sul risultato finale.
Gli eventi sono selezionati ricostruendo il bosone W, dalle particelle prodotte nello stato finale, elettroni o muoni e neutrini. Decadimenti di bosoni W generati con diversi valori di massa vengono simulati e le distribuzioni di variabili cinematiche sensibili alla massa del bosone W come l’impulso dei elettroni o muoni (\(P_{T,\ell}\)) e la massa “trasversa” del W (\(M_T\)) nel piano perpendicolare alla direzione del fascio vengono confrontate con i dati raccolti da ATLAS in 28 regioni cinematiche. Attraverso una procedura di fit, il valore della massa del W viene estratto per ognuna delle 28 categorie.
Fig.1 Confronto tra le misure della massa del bosone W effettuate nelle 28 categorie cinematiche considerate. La banda grigia rappresenta il risultato della combinazione delle 28 categorie.
Le misure ottenute nelle diverse regioni mostrano un ottimo accordo entro le incertezze, come visibile in Fig. 1, e dalla loro combinazione viene estratto il risultato finale della massa del bosone W. Il valore misurato, pari a (80370±19) MeV, è consistente con le predizioni del Modello Standard e in accordo con le precedenti misure effettuate al LEP (il collider elettone-positrone ospitato fino al 2000 nello stesso tunnel che ospita oggi LHC), e al Tevatron (vedi Fig.2).
Fig.2 La misura della massa del bosone W effettuata da ATLAS con i dati raccolti nel 2011 (arancione) è consistente con il valore predetto dal Modello Standard (viola) e confrontabile con le misure precedenti effettuate al LEP e al Tevatron (blu).
A partire dal valore misurato da ATLAS della massa del bosone di Higgs (125.09 ± 0.24 GeV), è possibile determinare attraverso un “fit elettrodebole”, basato sulle previsioni del MS, i valori teorici delle masse del bosone W e del top quark. I valori ottenuti sono rappresentati in Fig.3 dall’ellisse arancione e mostrano un ottimo accordo con i valori misurati da ATLAS della massa del W, del quark top e della massa del bosone di Higgs.
Fig.3 Fit elettrodebole della massa del bosone W e del quark top, a partire dal valore misurato della massa del bosone di Higgs (125.09 ± 0.24 GeV). La regione grigia mostra i valori ottenuti della massa del bosone W e del quark top inserendo nel fit la massa misurata del bosone di Higgs. I limiti sul bosone W e sul quark top (arancione) sono in ottimo accordo con i valori misurati da ATLAS (banda azzurra e blu).
La precisione necessaria per questo studio è tale che i ricercatori dell’esperimento ATLAS hanno impiegato 5 anni per portarlo a termine. La misura raggiunge una precisione del 0.02%, analizzando i dati raccolti in un solo anno di collisioni. E` Interessante notare che la fonte di incertezza dominante proviene dalla descrizione delle predizioni teoriche e non dalle tecniche sperimentali. Come riportato dal Physics Coordinator delle misure di fisica di ATLAS, Tancredi Carli, tale precisione indica che le misure di parametri conosciuti del Modello Standard potrebbero guidare la ricerca verso nuovi processi fisici, ancora da scoprire:
“Si tratta di un’indicazione estremamente promettente della nostra abilità nel migliorare la conoscenza sul Modello Standard e di avvicinarci all’osservazione di segnali di nuova fisica attraverso misure di elevatissima precisione.”
Referimenti bigliografici:
- ATLAS Collaboration, “Measurement of the W-boson mass in p-p collisions at sqrt(s)=7 TeV with the ATLAS detector”, Eur. Phys. J. C 78 (2018) 110 doi: 10.1140/epjc/s10052-017-5475-4 (https://arxiv.org/abs/1701.07240).
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