Il rivelatore CMS, il ridge effect e il valore delle asimmetrie

Schema dettagliato del rivelatore CMS. (Credit: CERN).

Il clamore mediatico che ha accompagnato la conferma del bosone di Higgs ha messo in ombra alcune conquiste importanti. Ne ricordo qui una che concerne la collisione tra protoni e ioni di piombo più pesanti nel LHC. Le ultime novità di rilievo sono state comunicate nel mese di maggio del 2013. I fisici hanno trovato una piccola ma evidente corrispondenza tra le traiettorie delle particelle cariche che sfrecciavano via dalle collisioni: le particelle di nuova produzione sembravano essere sincronizzate, come un branco di pesci che si muove all’unisono. Per questo motivo il fenomeno è stato chiamato ridge effect.

All’inizio del 2013 l’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) ha studiato le collisioni dei protoni in più derivazioni e il risultato suggerisce che le particelle si comportano nello stesso modo in cui si comporta il piombo (nelle collisioni piombo-piombo). In queste occasioni, le particelle di piombo vengono trascinate da un “mezzo di plasma”. Nelle collisioni protone-piombo si forma la più piccola goccia di liquido che sia stata formata fino ad oggi in un laboratorio.

Un plasma di quark e gluoni. Quando i nuclei collidono e scaricano una piccola frazione di energia, si crea questo fluido nello spazio che li separa. La violenza della collisione crea un mezzo così caldo e denso, costituito da quark e gluoni che si fondono in un plasma di quark e gluoni, un tipo di materia che si ritiene sia esistita subito dopo il Big Bang, prima che l’universo iniziasse a raffreddarsi. Gli scienziati pensano che una goccia di plasma caldo sgorghi dall’epicentro ad alta pressione delle aree che collidono e che si hanno una pressione inferiore; il fluido si raffredda mentre si espande, ma resta una gocciolina di liquido sufficiente a spazzare via le particelle. “Le correlazioni tra particelle sono coerenti con un modello di plasma denso, fluido in rapida espansione”, commenta Piotr Bozek dell’Istituto di Fisica Nucleare di Cracovia. I fisici si sono stupiti di riscontrare questo effetto nei protoni, visto che sono circa 208 volte più leggeri degli ioni di piombo.

“Secondo il l’opinione comune intorno a questo fenomeno, sarebbe necessario una quantità di volume molto più grande per supportare la formazione del plasma di quark e gluoni”, ha detto Christof Roland del Massachusetts Institute of Technology. “Se si guarda alla geometria delle collisioni protone-piombo, ci accorgiamo che è un sistema molto piccolo e si è pensato che fosse troppo piccolo per la comparsa di questo effetto”. Mentre i fisici hanno bisogno di continuare ad indagare per scoprire se davvero stanno assistendo al fenomeno del flusso collettivo nelle collisioni protone-piombo, l’ultimo studio fornisce una significativa evidenza in merito. In precedenza erano state osservate solo correlazioni tra i movimenti di coppie di particelle: ora è stato osservato in gruppi di quattro particelle. Se l’obiettivo è di avere una teoria coerente in fisica delle particelle, allora anche questo è un passo avanti non da poco.

Ma c’è un altro settore della fisica delle particelle che promette grandi sorprese. La convinzione che il Modello Standard sia incompleto va di pari passo con i tentativi di estenderlo. Gli esperimenti hanno mostrato che il Modello Standard non riesce a spiegare alcune osservazioni sui top quark mentre una varietà di estensioni del Modello Standard riesce a renderne conto. Ora, il problema è capire quale di queste sia corretta. Novità in questo senso provengono da uno studio di Benjamín Grinstein e Christopher W. Murphy dell’Università della California, San Diego, che propone di usare i dati concernenti i bottom quark per comprendere quali spiegazioni fisiche sono coerenti. Il secondo articolo che vi presento, e che si intitola Bottom-Quark Forward-Backward Asymmetry in the Standard Model and Beyond, è stato pubblicato qualche mese fa sulla rivista Physical Review Letters.

(Credit: INFN).

“C’è stato molto entusiasmo nell’ultimo paio di anni, causato dalle relazioni delle due collaborazioni sperimentali che lavorano al Tevatron (al Fermilab, fuori Chicago), una delle quali ha previsto l’asimmetria dei top quark nota come forward-backward asymmetry”, ha spiegato Benjamín Grinstein. “Diversi modelli sono stati proposti per spiegare questo risultato inatteso. Il nostro documento suggerisce un modo per distinguere tra i vari modelli che sono stati proposti, dal momento che questi modelli danno forward-backward asymmetry molto differenti per i bottom quark. Quando una misura sufficientemente precisa di queste asimmetrie verrà eseguita, saremo in grado di restringere in modo significativo la nuova fisica che gli esperimenti del Tevatron sembrano aver scoperto”.

il dato più significativo sembra essere il seguente: le osservazioni della forward-backward asymmetry nei bottom quark è in disaccordo con le previsioni del Modello Standard: “quando questi dati sono messi insieme con l’asimmetria dei top quark, si dimostrerebbe abbastanza definitivamente che non vi è nuova fisica che necessiti nuove particelle e interazioni non incluse nel Modello Standard, ma starebbe ad indicare la strada verso una sua conferma sperimentale diretta”, ha aggiunto Benjamín Grinstein. Come spiegano i fisici l’asimmetria forward-backward? Questa particolare asimmetria si riferisce alla probabilità che il quark osservato” si stia muovendo nella direzione in avanti o indietro dopo che è prodotta in una collisione protone-antiprotone.

Schema della bottom-quark forward/backward asymmetry confrontata con l’energia oscura (in unità GeV) prodotta dalla collisione protone-antiprotone nel Tevatron. In arancione le previsioni del Modello Standard. (Credit: Grinstein and Murphy. ©2013 American Physical Society).

“Il Tevatron è un grande acceleratore di particelle circolare in cui protoni e antiprotoni viaggiano in direzioni opposte”, ha precisato Christopher W. Murphy. “La direzione di marcia di un protone in corrispondenza di un punto X si scontra con un antiprotone che viaggia in direzione opposta. Spesso un b-quark e un anti b-quark sono prodotti a seguito della collisione protone-antiprotone. Ci sono diversi modi per definire la ‘bottom-quark forward-backward asymmetry’ ma tutti sono una misura di quanto è più (o di meno) probabile che per produrre un b-quark una delle particelle si muova, ad esempio, preferenzialmente in avanti. Si può contare il numero di collisioni con un forward b-quark, sottrarre il numero di collisioni con un  backward b-quark, e dividere questo per il numero totale di collisioni che producono i b-quark. La asimmetria ottenuta non è solo un singolo numero perché può essere determinata per vari valori dalle energie dei prodotti b-quark. L’asimmetria non è altro che una funzione dell’energia dei b-quark”.

Schema dell’esperimento con i b-quark appena descritto. (Credit: Grinstein and Murphy. ©2013 American Physical Society).

In entrambi i grafici, la linea arancione rappresenta la previsione del Modello Standard, mentre gli altri colori corrispondono alle previsioni delle varianti proposte dal Modello Standard (le trame non sono continue, e le barre nere verticali indicano l’esperimento CDF al Fermilab). Lasciando da parte i tecnicismi, il punto importante è questo: se in questa asimmetria fosse coinvolta una nuova fisica, la bottom-quark forward/backward asymmetry potrebbe essere invertita ed essere molto maggiore rispetto alle previsioni del Modello Standard (secondo cui sarebbe di pochi punti percentuali). I due studiosi hanno infatti mostrato che questo numero può essere modificato in modo drammatico dal Modello Standard.

Una delle caratteristiche più interessanti che è stata scoperta è che quando l’energia del b-quark e dell’anti b-quark si somma all’energia a riposo del bosone Z (una delle particelle responsabili delle interazioni deboli), l’asimmetria è rafforzata. Hanno inoltre dimostrato che, con questa energia, gli effetti di una nuova fisica possono essere notevolmente amplificati: ad esempio, in una classe di modelli abbastanza popolari il segno dell’asimmetria è invertito rispetto a quello previsto dal Modello Standard, e questo accade proprio nella regione di energia corrispondente all’energia a riposo del bosone Z. (Fonte: http://phys.org/news/2013-08-quark-asymmetries-hint-physics-standard.html).

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