Atomi: nuove scoperte oltre il bosone di Higgs

Gli scienziati del più grande acceleratore di atomi del mondo hanno fatto un conteggio preciso della cascata confusa di particelle prodotte quando due fasci di protoni vengono distrutti insieme. I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a scoprire nuovi tipi di particelle, simili all’ormai famoso bosone di Higgs.

I ricercatori del Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera hanno infatti inviato due fasci di protoni che sfrecciavano in direzioni opposte e si sono schiantati insieme al livello di energia più alta mai raggiunto al LHC. La ricerca fa parte dell’esperimento chiamato CMS, che sta per Compact Muon Solenoid. Per ciascuna delle 150.000 collisioni protone-protone i ricercatori hanno identificato circa 22 particelle cariche (dette adroni) che sono state parimenti prodotte.

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Gli scienziati hanno voluto creare uno snapshot di una collisione “tipica” tra due fasci di protoni, che potrebbero aiutare i ricercatori a setacciare il rumore di fondo per i segni di nuovi effetti. I modelli precedenti utilizzati per fare previsioni per il rilevamento di nuove particelle si basano su stime con un’incertezza del 30 o 40 per cento, cosa che potrebbe essere problematica per il rilevamento di particelle rare, hanno detto i ricercatori.

Per ottenere un conteggio preciso del numero di particelle prodotte in una collisione di protoni media, il team ha analizzato i dati con i magneti del LHC spenti. Ciò significava che gli scienziati hanno potuto contare con precisione il numero di particelle cariche, perché arrivano al rivelatore CMS stesso piuttosto con la flessione dal campo magnetico e finiscono nel tubo del collisionatore principale ha detto in un comunicato YenJie Lee, un professore assistente di fisica al Massachusetts Institute of Technology e uno dei ricercatori principali dello studio.

Esperimenti al LHC

Il LHC è un anello sotterraneo che misura circa 16 miglia (27 chilometri) di circonferenza. Accelera le particelle quasi alla velocità della luce con potenti magneti. L’esperimento CMS è bsato su una manciata di rivelatori costruiti nella macchina LHC.

L’intensità energetica che si è venuta a creare all’atom smasher è aumentata del 60 per cento – da circa 7 teraelectronvolts (TeV) a 13 TeV – fin dalla sua prima esecuzione, che durò dal 2010 al 2013. Questa è ancora una piccola quantità di energia; 1 TeV è circa l’energia del moto di una zanzara in volo. All’interno di un protone, però, questo è condensato in uno spazio di circa un milione di volte più piccolo di una zanzara, secondo l’Organizzazione Europea per la ricerca nucleare (CERN), che gestisce l’LHC.

La sferzata di energia del LHC significa che il 30 per cento in più delle particelle sono prodotte per collisione, hanno trovato i ricercatori. “A quest alta intensità, osserveremo centinaia di milioni di collisioni ogni secondo”, ha detto Lee a Science.

L’aumento di energia dà anche ai fisici più possibilità di scoprire nuove particelle come il bosone di Higgs, che è stato rilevato nel 2012. Secondo l’equazione di Albert Einstein E = mc 2, maggiore è l’energia (e) di questo esperimento, maggiore è la massa (m) delle nuove particelle o almeno potrebbe essere. “Stiamo aprendo una nuova regione di queste collisioni che non abbiamo mai aperto prima”, ha detto Daniela Bortoletto, un fisico che è stato precedentemente coinvolto con il CMS, ma ora lavora su ATLAS, un esperimento rivale al LHC. “Stiamo davvero esplorando una terra incognita!”

Il conteggio degli adroni

Il gruppo ATLAS osserva anche collisioni tra una serie di due fasci di protoni ed è in attesa di replicare l’esperimento CMS per contare il numero di adroni prodotti. Daniela Bortoletto ha detto che queste misure sono fondamentali per la fisica perché aiutano ad “arrivare al diamante in un terreno pieno di sporcizia.” “Fa parte del genere umano il desiderio di capire da dove veniamo”, ha detto la Bortoletto in diretta a Science. “E noi abbiamo fatto davvero molto bene a spiegare molti dei fenomeni.” La Bortoletto dice che le misure descritte in questo documento sono necessarie per scoprire nuove particelle nel regime energetico più elevato. Mentre ha detto che le teorie dietro i mattoni dell’universo sono incredibilmente accurate finora, c’è ancora qualcosa che manca.

Il Modello Standard, la teoria regnante nella fisica delle particelle, si basa sull’idea che tutta la materia è fatta di particelle di due tipi fondamentali, chiamate quark e leptoni, e le forze che agiscono su di essi.
Tuttavia, non è un disegno impeccabile, e ci sono lacune da colmare. E, a volte anche le particelle invisibili potrebbero aiutare i fisici, in base a come la Bortoletto vede il quadro generale.

Ad esempio, il Modello Standard non può spiegare l’esistenza della gravità. Inoltre non riesce a spiegare la materia oscura, la materia misteriosa da cui si pensa di recuperare circa l’85 per cento della materia nell’universo. “Abbiamo osservazioni provenienti dal cosmo che dimostrano che esiste la materia oscura e l’energia oscura anche,” ha detto Daniela Bortoletto. “Le particelle che compongono il Modello Standard spiegano soltanto il 5 per cento della composizione dell’universo.”

Il bosone di Higgs

L’ultima particella rara da scoprire in collisioni tra protoni è il bosone di Higgs, che ha contribuito a confermare la teoria regnante della fisica delle particelle. Il bosone è pensato per spiegare perché altre particelle hanno massa, e la sua esistenza è stata predetta dal Modello Standard. Ora che i ricercatori sanno cosa sia una tipica collisione tra protoni e quali sono i risultati che sembra provocare, la ricerca di altre particelle rare potrebbe diventare più efficiente.

Lee ha detto che i nuovi risultati potrebbero anche contribuire in modo significativo agli studi sull’universo primordiale, che era estremamente denso e caldo. I ricercatori hanno detto che ora intendono studiare le collisioni degli ioni di piombo, che producono un mezzo estremamente denso che è pensato per simulare le condizioni dell’universo subito dopo il Big Bang.
“Con le collisioni degli ioni di piombo, possiamo riprodurre l’universo primordiale ad un ‘piccolo bang'”, ha detto Lee. “Se siamo in grado di capirele  collisioni tra protoni, potremmo essere in grado di ottenere alcuni ulteriori approfondimenti su cosa succederà quando centinaia di loro si verificano allo stesso tempo. “Allora potremo vedere cosa possiamo conoscere della fase primordiale del nostro universo”, ha aggiunto.

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