Alla ricerca di una nuova fisica.

lhc_long_1

Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore a forma di anello in cui due fasci di protoni ad alta energia circolano in direzioni opposte quasi alla velocità della luce. Questi fasci collidono fino a 40 milioni di volte al secondo.
Solo dal 2010 al 2012 ha prodotto quasi 1000 miliardi di “adroni beauty”. Gli adroni beauty sono particelle molto interessanti contenenti quark beauty.

Queste particelle hanno vita breve e possono decadere in un numero enorme di modi.
Nel decadere le particelle generano altre particelle. La particolarità dei quark beauty è quella di avere una grande massa che negli scontri decadono in altre particelle più facilmente di qualsiasi altro quark.
Gli scienziati sono alla ricerca di particelle ancora non scoperte che possono chiarire come funziona la natura su scale sub atomiche.

Le particelle e le forze conosciute dell’universo costituiscono il modello standard della fisica delle particelle che prevede 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni, nonché cinque bosoni vettori delle forze fisiche.
I fisici ritengono però che ci siano altre particelle oltre a quelle del modello standard e intendono scoprirle tramite progetti come l’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider del CERN.

LHCb (la “b” sta per beauty) è un rilevatore di 20 metri di lunghezza e 10 metri di altezza che permette di registrare i segnali delle particelle generate. Questa forma aiuta nello studio degli adroni beauty che sono particelle contenenti quark beauty.
Il fatto interessante del LHCb è la possibilità di rilevare la presenza di nuove particelle tramite il loro effetto “virtuale” sul decadimento delle particelle di modello standard.

Ma quali sono le particelle elementari?
Sono i quark e i leptoni. I quark si suddividono in 3 gruppi, rispettivamente
1) up ‘a’ e down ‘d’,
2) charm ‘c’ e strange ‘s’,
3) beauty ‘b’– detto anche bottom – e top ‘t’.
I gruppi sono suddivisi in base alla loro massa e tempo di decadenza che è più breve in funzione della grandezza della particella.
Analogamente ci sono 3 famiglie dei leptoni:
1) elettrone ‘e’ e neutrino elettronico νe
2) muone ‘μ’ e neutrino muonico νμ
3) tauone ‘τ’ e neutrino tauonico ντ

I quark up e down e l’elettrone, tutto di prima generazione costituiscono gli atomi fella materia ordinaria.
Le particelle delle altre famiglia tendono ad essere sfuggenti. C’è bisogno degli acceleratori di particelle per costringerle ad esistere.

Poi ci sono i bosoni che sono i responsabili delle forze che tengono assieme la materia. Vengono generalmente chiamati vettori o mediatrici.
Sono il fotone ƴ, gluone g, bosone Z, bosone W.
Il fotone è responsabile della forza elettromagnetica, il gluone della forza forte, il bosone Z e W della forza debole.
Poi c’è da solo il Bosone di Higgs che conferisce con l’azione del suo campo a dare massa ad alcune particelle.
Ecco, ora sapete come è fatta la materia ordinaria secondo la teoria standard.

La presenza di nuove particelle si può rilevare tramite il loro effetto virtuale sulle particelle conosciute.
Cosa vuol dire che le particelle hanno un effetto virtuale?

Fate attenzione.
Il fatto è che secondo il principio della conservazione della energia, insieme alla famosa equazione di Einstein, richiede che le particelle finali abbiano una massa minore di quella iniziale e stessa energia finale.
La differenza di massa si trasforma in energia cinetica dei prodotti di decadimento.

Ok, ora succede che in alcuni decadimenti vengono prodotte particelle che hanno massa maggiore di quella iniziale che sembra violare il principio della conservazione della energia.
Come mai?

Tale contraddizione viene spiegata con l’apparire oltre alle particelle note di altre particelle “virtuali”.
Le particelle virtuali possono sembrare fantasiose, ma le regole della fisica quantistica dimostrano che tali eventi sono stati dimostrati corretti per prevedere la probabilità di questi decadimenti.

decadimento 1

Per capire come funzionano le cose, mi sono venuti in soccorso i diagrammi di Feynman.
Si parte da un mesone, il cosiddetto mesone (B0) un adrone composto da un quark beauty e da un antiquark down (ho messo tra parentesi le particelle di antimateria che andrebbero contrassegnate con una barra sopra la lettera).
(B0) =b+(d)
Può succedere che il nostro mesone decade in un mesone (D+) composto da un quark charm e da un antiquark down, e da un bosone W (una particella potatrice della forza debole) che si forma sulla linea in cui il quark beauty “b” decade in un quark charm “c”.
A sua volta il bosone W decade in un leptone tau dotato di carica negativa e un antineutrino tau.
(D+) = c + (τ-)
Quindi:
(B0) →(D+) W
(B0) →(D+) τ- (ντ)

Ebbene il fatto singolare è che il bosone W ha una massa circa 16 volte maggiore del bosone (B0).
Secondo la misteriosa contabilità della meccanica quantistica, una simile violazione è effettivamente consentita purchè si verifichi per un attimo breve.
In questo caso diciamo che il bosone W è “virtuale”.

Ora la domanda è cosa sta succedendo? Perché succede questo?
I fisici teorici hanno qualche idea: potrebbe entrarci per esempio un nuovo tipo di particella di Higgs carica.
Ma i bosoni di Higgs non rispettano l’universalità di Higgs, né la teoria prevede specie aggiuntive di Higgs.

Allora si fa avanti una nuova particella ancora più esotica: il “leptoquark”, una ipotetica particella che può permettere ai quark e ai leptoni di interagire.
Oppure un’altra particella Z’ (zeta primo) che sarebbe un cugino, più pesante, del ben noto bosone Z, ma che decade in quark e leptoni in un modo tutto suo.

Non si sa se questa è la strasa giusta verso una nuova fisica, sicuramente lunga, ma la maggior parte dei fisici si sente sicura di andare nella direzione giusta.

(Fonte: Le Scienze)

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Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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5 risposte a Alla ricerca di una nuova fisica.

  1. Renzo Dal Grande ha detto:

    Caro Bruce , sempre più’ incasinata questa storia delle particelle.
    RDG

    Piace a 1 persona

  2. musil87 ha detto:

    “Può succedere che il nostro mesone decade in un mesone (D+) composto da un quark charm e da un antiquark tau”…Semplice refuso, diciamo che dovrebbe essere un antiquark down. Un fatto ancora più semplicemente controintuitivo legato al pullulare di particelle (fermioni e bosoni) virtuali del mondo subatomico è quello che la maggior parte della massa che attribuiamo alla materia barionica, sia in realtà dovuta a questi ‘collanti’ fondamentali che consentono (proprio per il principio di equivalenza della relatività speciale) di far quadrare i conti anche a livello macroscopico.

    Piace a 1 persona

  3. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Si’, l’apparire di particelle di massa superiore a quella di “origine” sembra davvero violare i prinicpi fondamentali di conservazione dell’energia. Appaiono le particelle “virtuali” (dette cosi’ perche’ non osservabili, svaniscono in un tempo non percepibile in natura.

    “Ebbene il fatto singolare è che il bosone W ha una massa circa 16 volte maggiore del bosone (B0). (Del quark Bo?). Comunque, e’ la cosiddetta “energia presa a prestito”. L’espressione non e’ mia. ho letto infatti un libro divulgativo di Tullio Regge, su queste nozioni, e parla proprio di “contabilita’ quantistica”, o “finanza quantistica”. “Finanza clasica e finanza quantistica”, era il titolo del paragrafo. E descriveva, appunto,queste cose: l’apparire della particella W (o z,..), che decade in altre particelle, in questo caso la particella “au negativa e “relativo” anti neutrino..
    E’ affascinannte. Complicato, ma affascinante.

    “Secondo la misteriosa contabilità della meccanica quantistica, una simile violazione è effettivamente consentita purchè si verifichi per un attimo breve”. Infatti.

    Ciao..
    .

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