{"id":1430,"date":"2018-03-09T17:53:48","date_gmt":"2018-03-09T16:53:48","guid":{"rendered":"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/?p=1430"},"modified":"2022-02-14T09:46:36","modified_gmt":"2022-02-14T08:46:36","slug":"un-bosone-sulla-bilancia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/un-bosone-sulla-bilancia\/","title":{"rendered":"Un bosone sulla bilancia"},"content":{"rendered":"

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 comunit\u00e0 scientifica, perch\u00e9 indicherebbe l\u2019esistenza di processi fisici nuovi.<\/p>\n

Il bosone W \u00e8 una delle particelle elementari pi\u00f9 pesanti tra quelle conosciute. La sua scoperta all\u2019acceleratore SppS del CERN, risalente al 1983, si \u00e8 guadagnata un anno dopo il Premio Nobel per la Fisica.
\nIl 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\\).
\nIl bosone W acquista massa dall\u2019interazione con il campo scalare del bosone di Higgs, il responsabile della rottura spontanea della simmetria del Modello Standard. La massa del bosone W \u00e8 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 \u00e8 necessario per verificare la consistenza della teoria e studiare con pi\u00f9 precisione le propriet\u00e0 del bosone di Higgs. Qualsiasi deviazione dal valore della massa del bosone W predetto dal Modello Standard, potrebbe essere un\u2019evidenza di nuovi fenomeni fisici.<\/p>\n

L\u2019esperimento ATLAS ha misurato per la prima volta<\/a> ad LHC (Large Hadron Collider) la massa del bosone W. Il valore ottenuto, pari a (80370\u00b119) MeV, raggiunge una precisione elevatissima (0.02%), considerando che \u00e8 stata effettuata da un singolo esperimento. La misura si basa sull\u2019analisi di 14 milioni di eventi contenenti un bosone W che decade nei canali elettronico e muonico, prodotti da interazioni protone-protone nel 2011, all\u2019energia del centro di massa di 7 TeV.
\nAl Tevatron (il collider al Fermilab vicino Chicago che realizzava collisioni protone-antiprotone a \\(\\sqrt{s}=1.96\\) TeV)
\ni 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 \u00e8 dovuta all’interazione tra quark “del mare” di seconda generazione (quark charm e strange), aumentando le incertezze sulle previsioni teoriche.<\/p>\n

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\u2019incertezza sul risultato finale.
\nGli 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\u2019impulso 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.<\/p>\n

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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.<\/p><\/div>\n

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\u00b119) MeV, \u00e8 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).<\/p>\n

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Fig.2 La misura della massa del bosone W effettuata da ATLAS con i dati raccolti nel 2011 (arancione) \u00e8 consistente con il valore predetto dal Modello Standard (viola) e confrontabile con le misure precedenti effettuate al LEP e al Tevatron (blu).<\/p><\/div>\n

A partire dal valore misurato da ATLAS della massa del bosone di Higgs (125.09 \u00b1 0.24 GeV), \u00e8 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.<\/p>\n

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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 \u00b1 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).<\/p><\/div>\n

La precisione necessaria per questo studio \u00e8 tale che i ricercatori dell\u2019esperimento 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:
\n\u201cSi tratta di un\u2019indicazione estremamente promettente della nostra abilit\u00e0 nel migliorare la conoscenza sul Modello Standard e di avvicinarci all\u2019osservazione di segnali di nuova fisica attraverso misure di elevatissima precisione.\u201d<\/p>\n

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Referimenti bigliografici:<\/p>\n