Il peso extra delle particelle contraddice il Modello Standard

Tutto ciò che si conosce nell’universo – dalle galassie lontane agli amminoacidi nel tuo corpo – è descritto dal Modello Standard, la bibbia della fisica. Spiega le particelle che compongono gli atomi e le forze che le controllano.

Il Modello Standard è la teoria scientifica di maggior successo al mondo. Tra le altre cose, ha permesso di sviluppare l’elettronica moderna. Tuttavia, la teoria ha diversi difetti importanti. Non spiega la gravità, per esempio.

Pertanto, i fisici migliorano costantemente il modello standard. Dieci anni fa è stato lanciato un grande progetto per pesare una particella W, una particella con una forza Radioattività. Quando il risultato è stato pubblicato nel 2022, ha fatto alzare le sopracciglia ai fisici.

Contrariamente a tutte le aspettative, misurazioni molto accurate hanno mostrato che la particella W è molto più pesante di quanto previsto dal Modello standard.

È la prima volta in assoluto che la brillante teoria viene smentita da un esperimento. Tuttavia, sorprendentemente, ha entusiasmato molti fisici.

Hanno cercato per molti anni una teoria migliore che spieghi sia la gravità che la misteriosa materia oscura.

Alla gravità manca una particella

Dagli anni ’30, migliaia di esperimenti hanno dimostrato che tutto nell’universo è costituito da pochi elementi costitutivi di base, le cosiddette particelle elementari, che sono soggette a quattro forze fondamentali della natura.

Il modo in cui gli elementi costitutivi e le forze naturali lavorano insieme è meglio descritto dal Modello standard, che è stato sviluppato negli anni ’70 e da allora è stato confermato ed esteso da un gran numero di esperimenti.

Secondo il Modello Standard, le forze della natura sono trasmesse agli atomi per mezzo delle cosiddette particelle di forza, ma descrive solo le particelle di forza alla base di tre forze della natura: la forza elettromagnetica, l’interazione forte e l’interazione debole.

La gravità manca ancora della forza delle particelle.

All’inizio del XX secolo, Albert Einstein e Max Planck scoprirono che una particella di luce trasmette la forza elettromagnetica.

Quindi l’eccitazione fu grande quando i fisici del CERN, l’Organizzazione europea di ricerca per la fisica delle particelle, nel 1983 mostrare Che anche l’altra forza naturale, l’interazione debole, è trasmessa dalle particelle: la particella W e la sua particella gemella Z, che sono alla base del decadimento radioattivo dei nuclei atomici.

Quindi era chiaro che due delle quattro forze della natura sono trasmesse attraverso le cosiddette particelle quantistiche.

Da allora, gli scienziati hanno documentato che anche l’interazione forte che tiene insieme i nuclei atomici funziona con l’aiuto delle particelle di forza.

Nel 2012, il Modello standard è stato perfezionato quando un gruppo di fisici del Cern ha scoperto il modello teoricamente previsto Particella di Higgsche dà a tutti i mattoni atomici e forza le particelle la loro massa.

Ora, tuttavia, nuove misurazioni della massa della particella W minacciano di ribaltare l’intero modello.

La particella W è molto pesante, 0,09%.

Ad aprile 2022 Reso generico I fisici dell’acceleratore Tevatron negli Stati Uniti, ora chiuso, hanno riportato i loro risultati con un peso di quattro milioni di watt di particelle.

Il risultato è la misura più accurata finora della massa di una particella W, con i ricercatori che stimano che sia di 80,43335 miliardi di elettronvolt (GeV), che è equivalente alla massa di 85 protoni.

Sebbene sia solo lo 0,09% in più rispetto alla previsione del modello standard, si tratta di una deviazione significativa. Il margine di incertezza nel modello standard è solo dello 0,01%.

Ci sono solo due possibili spiegazioni per questa discrepanza. O c’è un errore sistematico nelle misurazioni che nessuno ha ancora scoperto, oppure ci sono particelle sconosciute o forze naturali nell’universo che influenzano la massa della particella W e la rendono più pesante del previsto.

Le particelle hanno un gemello nascosto

Tutti i mattoni atomici e le particelle di energia ottengono la loro massa attraverso il contatto con quella che viene chiamata la particella di Higgs. Le particelle W si legano fortemente alla particella di Higgs e diventano pesanti, mentre, ad esempio, gli elettroni si legano più deboli e sono quindi più leggeri.

Il modello standard funziona solo con una particella di Higgs, ma esiste una teoria che prevede molte particelle di Higgs, ed è una teoria Supersimmetria.

Se la particella di Higgs sconosciuta è associata alla particella W, ciò potrebbe spiegare che è più pesante di quanto previsto dal Modello Standard.

Secondo la teoria, tutte le particelle contengono una particella gemella più pesante da scoprire. Le particelle di materia hanno una particella forza come gemella, mentre le particelle di forza come una particella W hanno una particella materia come gemella.

La teoria della supersimmetria offre due prospettive rivoluzionarie.

Innanzitutto, a differenza del Modello standard, la gravità quantistica può essere descritta meccanicamente, cioè con l’aiuto di particelle di forza. Secondo la teoria, la gravità è mediata da ipotetiche particelle, chiamate gravitoni.

In secondo luogo, i gemelli pesanti non scoperti potrebbero essere ciò che costituisce la misteriosa materia oscura nell’universo. In questo caso, risolverai uno dei più grandi misteri della fisica. La materia oscura è solo un’altra parola per indicare il fatto che i fisici non possono rappresentare l’85% della massa nelle galassie.

Se la predominanza della particella W può essere spiegata dalla supersimmetria, allora il nuovo risultato della misurazione consentirà di prevedere la massa delle particelle doppie pesanti con altissima precisione.

Quindi la teoria può essere verificata empiricamente. Trovare particelle sconosciute in un acceleratore di particelle è come cercare un ago in un pagliaio, ma quando i fisici sanno quale massa cercare, diventa molto più facile.

Prima, tuttavia, deve essere verificata la dominanza delle particelle W. All’inizio del prossimo anno, l’LHC avrà a disposizione una serie di dati da record dalle misurazioni della massa delle particelle W e, se l’eccesso sarà confermato, sarà aperta la strada per la nuova fisica. .