Questo post partecipa alla 29.ma edizione del Carnevale della Fisica di Marzo 2012 ospitato da Marco Casolino

Il punto di partenza è il modello standard delle particelle elementari. Esso è costituito da quattro interazioni fondamentali: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole. In particolare quest'ultima è responsabile dei decadimenti radioattivi e della fusione dell'idrogeno nelle stelle. I bosoni di questa interazione (ovvero le particelle scambiate tra i due fermioni che stanno interagendo) sono $W^\pm$ e $Z$. Un esempio di interazione debole è il decadimento del pione $\pi^+$: Questi tre nuovi tipi di bosoni vennero predetti da Glashow, Weinberg e Salam⁽¹⁾ e quindi scoperti al CERN nel 1983 grazie a una serie di esperimenti condotti da Carlo Rubbia e Simon van der Meer⁽²⁾. Da pochi giorni, però, grazie a una delle ultime analisi provenienti da dati del Tevatron, siamo in possesso di un nuovo valore della massa del $W$ da aggiungere a quelli fin qui collezionati. A proporre la nuova misura è l'esperimento CDF: \[M_W = (80.387 \pm 0.019) GeV\] Combinando questo valore con le altre misure in nostro possesso, si arriva al valore preliminare definitivo che dovrebbe (il condizionale è d'obbligo) essere pubblicato sul Particle Data Group: E' molto importante, infatti, capire che il valore di $(80.390 \pm 0.016) GeV$ diventerà la nuova massa del $W$ solo dopo la pubblicazione del preprint di CDF (pdf) su una rivista referata e dopo che questo valore verrà inserito nella scheda della particella sul Particle Data Group. E questo sembra non essere stato compreso dai lettori di Tommaso, che ha dato l'annuncio sul suo blog e, soprattutto, ha cercato di spiegare in termini semplici tutto il processo sperimentale e l'analisi dei dati che ha portato alla misura specifica e dunque alla nuova proposta. Ad esempio Wired ha preso per buono il risultato di CDF, nonostante sia preliminare, operando anche la solita semplificazione giornalistica (e un po' popperiana), prendendo il risultato della collaborazione come una sorta di spugna che cancella tutto quello che c'era in precedenza. E una situazione piuttosto antipatica, con gente che arriva per aggiornare un dato non ancora ufficiale, sta accadendo su en.wiki con due versioni (1 e 2) modificate e prontamente riportate allo stato originario questa notte (e una terza dal sottoscritto nel pomeriggio).
Prima che questa follia prenda piede anche in Italia, magari con qualche giornalista che nel fine settimana non sa come riempire la propria colonna e allora parte andando dietro a Wired (quello statunitense, e non il nostrano!), spieghiamo anche cosa sia il Particle Data Group. In poche parole è un gruppo internazionale di fisici che si sono fatti carico di mettere ordine tra i dati sperimentali provenienti dalla fisica delle particelle. Compilano, ogni anno circa per il web, e ogni due anni anche per il cartaceo, le schede delle particelle (con tutte le loro proprietà come numeri quantici e massa), e delle interazioni fondamentali, andando a pescare i dati proprio dalle pubblicazioni referate. Tutto questo lavoro, che diventa così la fonte principale (ma dovrebbe anche essere l'unica) per i dati delle particelle usiamo negli articoli di fisica viene pubblicato su due riviste, il Review of Particle Physics e la sua versione tascabile Particle Data Booklet.
Per cui, fino alla pubblicazione della nuova scheda, il valore della massa del $W$ resta ancora $(80.399 \pm 0.023) GeV$⁽³⁾.

Ieri si è celebrato l'ultimo giorno di lavoro del Tevatron, l'acceleratore di particelle statunitense che ha fatto concorrenza agli acceleratori europei del Cern, compreso l'LHC. Il Tevatron iniziò a prendere i primi dati di fisica nel 1985, nella notte del 13 ottobre e da allora ha mietuto non pochi successi, che vengono efficacemente riassunti da Tommaso su Quantum Diaries. In particolare il primo risultato dell'acceleratore è anche una delle tantissime conferme del modello standard che abbiamo avuto negli ultimi 30 anni: la scoperta del quark top.
Il modello standard delle particelle elementari prevede l'esistenza di 6 tipi differenti di quark, che combinati tra loro costituiscono la così detta materia barionica (particelle pesanti come protoni e neutroni, e particelle intermedie come i mesoni). Questi costituenti ultimi della materia vennero introdotti in quello che all'inizio veniva identificato genericamente come modello a partoni, sviluppato indipendentemente uno dall'altro da Murray Gell-Mann⁽¹⁾ e George Zweig^{(2, 3)} nel 1964. All'inizio la teoria prevedeva l'esistenza di tre soli quark (up, down, strange), ma lavori successivi di altri fisici teorici consentirono di completare l'impianto teorico con altri tre quark. In particolare nel 1972 Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa⁽⁶⁾ supposero l'esistenza di un nuovo quark, il top, in un articolo con il quale introducevano la violazione della simmetria CP all'interno dell'interazione debole, scoperta da Weinberg tra il 1967⁽⁴⁾ e nel 1971⁽⁵⁾. In particolare scrissero la parte adronica della lagrangiana in quattro termini: cinetico, massivo, forte e $L'$. Seguendo il meccanismo di Higgs⁽⁹⁾, i due teorici supposero che la violazione di CP potesse trovarsi nel termine massivo, a causa del meccanismo di rottura spontanea della simmetria di gauge.
I loro calcoli sono calcoli di teoria dei gruppi: possiamo infatti immaginare il gruppo che Kobayashi e Maskaea hanno usato come uno spazio generato (o costituito) a sua volta da due spazi 4-dimensionali (ciascuno di questi spazi è il gruppo $SU (4)$). Essi descrissero tre possibili partizioni per ciascuno dei due spazi vettoriali⁽¹⁰⁾:

1. due sottospazi bidimensionali;
2. uno spazio bidimensionale e due monodimensionali;
3. 4 spazi monodimensionali.

I due si limitarono solo a quelle combinazioni che avevano un qualche senso fisico e scoprirono che, come conseguenza della rottura della simmetria, bisognava introdurre nella teoria un nuovo partone, quel quark top che sarebbe stato scoperto proprio al Tevatron nel 1995: I due grafici sono estratti dagli articoli dei due esperimenti che rilevarono il top. Dall'articolo di D0 ho estratto il grafico che confronta i due esperimenti uno con l'altro e quindi con la teoria, mentre dall'articolo di CDF il grafico che ricostruisce la massa del top e ne da anche una prima misura (il riquadro in alto a destra nel secondo grafico).
Dopo questa velocissima storia del top, vi lascio con un video realizzato da Maria Scileppi in collaborazione con Rob Snihur, ricercatore del Tevatron:

Ne avevo già scritto in inglese, ma con colpevole ritardo vi riferisco di alcune novità riguardanti il bosone di Higgs e uscite dalla conferenza EPS sulla fisica delle alte energie⁽¹⁾, tenutasi a fine luglio, dal 24 al 27 se non ricordo male.
Tutto inizia con il comunicato stampa del Fermilab che, combinando i dati degli esperimenti D0 e CDF, ha diffuso i nuovi limiti di massa⁽²⁾ per il bosone di Higgs, ovvero tra i 114 e i 137 GeV/c². Ovviamente non potevano mancare nemmeno le collaborazioni ATLAS e CMS con l'esposizione dei loro dati, che però sembrano essere ben poco ottimistiche non solo nei confronti del Tevatron, ma anche del bosone stesso.
Iniziamo dando un'occhiata ai grafici (via Résonaances, Tommaso Dorigo):
Come vedete i due esperimenti europei hanno in comune con il Tevatron solo una piccola regione compresa tra circa 115 GeV e 140 GeV. I dati di queste regioni saranno probabilmente analizzati e pubblicati entro la fine dell'anno, per cui dovremmo presto sapere se il Tevatron potrebbe scoprire l'Higgs o meno⁽³⁾, ma soprattutto potremmo avere un'idea più precisa di che Higgs ci dovremmo aspettare.
Per chiarire meglio questo aspetto potrebbe essere interessante dare un'occhiata al grafico riassuntivo realizzato di Philip Gibbs, dove potrete notare come quella piccola regione in comune tra Tevatron e LHC e l'ultima regione disponibile all'interno della previsione del modello standard:

In origine (la fine degli anni Sessanta del XX secolo) lo zoo delle particelle⁽¹⁾ è un modo colloquiale per descrivere la lunga lista di particelle elementari, un serraglio cui solo il Modello Standard è riuscito a mettere ordine. Con la sua accettazione, infatti l'MS è stato in grado di identificare tre famiglie fondamentali di particelle le cui interazioni una con l'altra consentono di spiegare la creazione delle particelle non elementari, riducendo gli ingredienti fondamentali a 16 particelle suddivise in leptoni, quark (che insieme costituiscono i fermioni, particelle con spin semi-intero) e bosoni (le particelle a spin intero che mediano l'interazione consentendo lo scambio dei numeri quantici):
Possiamo classificare le particelle anche in una serie di sottofamiglie, come ad esempio quella dei barioni, particelle pesanti costituite da tre quark: ad esempio protonee neutrone sono barioni con composizione interna rispettivamente di uud e udd, dove u è il quark up e d quello down.
Conosciamo sei tipi di quark: up (u) e down (d), già incontrati e che spiegano protoni e neutroni, e quindi charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b) che spiegano le altre particelle pesanti in base a una serie di combinazioni tra i quark stessi che possono essere visualizzate in grafici come il seguente:
Nella parte superiore ci sono le particelle con momento angolare $J = 1/2$ mentre in quella inferiore quelle con momento angolare $J = 3/4$. Oggi ci concentriamo sul gruppo con $J = 1/2$, in particolare sull'ultima scoperta di CDF, una delle collaborazioni del Tevatron presso il Fermilab, infatti non tutte le particelle predette dall'MS sono state trovate, e la caccia è ancora aperta.
Il 20 luglio, Pat Lukens ha annunciato la prima osservazione di $\Xi_b^0$, un barione con la struttura usb:
Per poter rilevare questo nuovo barione, i ricercatori del Tevatron devono ricostruire i seguenti canali di decadimento:

Ovviamente alla questione del bosone Z'... o forse falso allarme. Su questa storia ecco uscire un giochino, una gif animata:

A produrla è Tommaso Tabarelli de Fatis del CMS, uno dei molti progetti che gravitano intorno all'LHC. Il buon Tommaso, omonimo di Dorigo, ha riscalato i dati prodotti dal CDF con una percentuale sempre maggiore. L'idea di fondo è: siamo proprio sicuri della precisione del fascio, e quindi dei dati prodotti dalla collaborazione?
Diciamo che Tommaso, l'altro, fuga ogni dubbio: siamo intorno al 3%, il che vuol dire che poco cambia, secondo l'analisi di Tabarelli, riguardo al picco-non picco. Che poi potrebbe non esserci in ogni caso se si alza la curva teorica grazie, ad esempio, ai contributi di W+jet, come scritto l'altro giorno.
La gif animata, però, ha un altro pregio: far notare quanto siano variabili anche le stesse simulazioni. Se Tabarelli avesse ragione, infatti, si dovrebbe notare un picco prima dei 50 GeV, o forse ho le travvegole?

Della questione si è occupato anche Cosmic Variance.

Innanzitutto introduciamo i così detti dijet⁽¹⁾. Sono molto importanti nello studio dei bosoni W e Z, la cui scoperta frutto a Rubbia il Nobel in Fisica. I processi che vengono studiati sono le interazioni WW, WZ, ZZ sia attraverso i decadimenti leptonici, sia attraverso lo studio di jet adronici. L'esistenza di questi due canali è dovuta al fatto che mentre la segnatura del decadimento del W^- è la produzione di una coppia neutrino-leptone

mentre il W⁺, così come lo Z decade producendo un leptone e due jet adronici.
L'importanza nello studiare questi decadimenti sta nel legame che questi bosoni, che sono in particolare le particelle che mediano, trasportano l'interazione debole, hanno con il famosissimo bosone di Higgs. E sono in particolare i decadimenti che coinvolgono il W⁺ e lo Z , e quindi i jet adronici ad essere importanti per la rilevazione dell'Higgs⁽²⁾.

E sono anche tra i più difficili da rilevare.
Impegnato in questa rilevazione c'è il Tevatron, l'acceleratore statunitense del FermiLab, e in prima linea c'è la collaborazione CDF. Un primo esame delle interazioni WW e WZ avvenuto a fine 2009⁽³⁾ ha successivamente portato alla pubblicazione nel 2010 su PRL⁽⁴⁾. Iniziamo a dare un'occhiata ai grafici presentati in quell'occasione:

In entrambi i grafici si possono apprezzare alcune zone dove i dati rilevati dalla collaborazione si trovano ben sopra alla ricostruzione delle interazioni avvenute grazie alle simulazioni Monte Carlo. Queste simulazioni sono molto importanti nella fisica sperimentale delle alte particelle e il motivo è molto semplice: è grazie ad esse che gli sperimentali sono in grado di valutare il contributo della fisica nota alle collisioni studiate. Questo vuol dire che, nell'esame dei dati raccolti, la routine dello sperimentatore è quella di far girare righe di codice che tritura per ore e ore i puntini raccolti dall'acceleratore e poi sputa la sua sentenza, che poi dovrà ulteriormente essere raffinata con altri codici ancora prima per verificare se ci sono altri effetti di fisica nota che si è trascurato e poi per vedere se potrebbe esserci qualcosa di interessante nei dati⁽¹⁾.