La nuova accurata misura della massa del bosone W non è quella che ci si aspettava

L'esperimento CDF al Fermilab, attivo dal 1985 al 2011 (Foto: INFN)

Da un lavoro di analisi durato dieci anni realizzato dall’esperimento CDF (Collider Detector at Fermilab), che è stato in attività per oltre 25 anni all’acceleratore Tevatron del Fermi National Accelerator Laboratory, negli Stati Uniti, arriva la misura della massa del bosone W più accurata che sia mai stata realizzata. E il valore ottenuto da questa scrupolosa analisi diverge da quello previsto dalla teoria del Modello Standard, che descrive il mondo delle particelle elementari e delle forze fondamentali.

Il risultato è stato pubblicato su Science, conquistando la copertina della prestigiosa rivista scientifica. Se sarà confermata, questa nuova misura sembra suggerire che potrebbe essere necessario affinare i calcoli teorici del Modello Standard, oppure introdurre delle estensioni alla teoria, arricchendola con nuove idee fisiche.

L'Italia è uno dei soci fondatori, assieme a Stati Uniti e Giappone, dall’esperimento CDF, e partecipa al progetto con il coordinamento dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il gruppo di studiosi italiani comprende anche numerosi docenti e ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna, che hanno preso parte alla costruzione del rivelatore, alla presa dati, alla scrittura dei programmi di ricostruzione e simulazione, e all'analisi degli eventi raccolti.

"Numerosi sono stati gli studenti, i dottorandi e gli assegnisti che nel corso degli anni si sono formati all’interno del nostro gruppo, usufruendo anche di periodi estivi di permanenza presso il Fermilab, all’interno di un programma di 'summer student' di CDF cofinanziato dall’INFN per la formazione scientifica avanzata", dice Stefano Zucchelli, professore dell'Università di Bologna e responsabile del gruppo bolognese per l'esperimento CDF. "Un'immensa gratitudine e un affettuoso ricordo vanno al professor Franco Rimondi del Dipartimento di Fisica e Astronomia che ha guidato il gruppo di ricercatori di CDF-Bologna fino alla sua scomparsa".

Il bosone W, la cui scoperta è valsa il premio Nobel per la fisica a Carlo Rubbia e Simon van der Meer nel 1984, è una delle due particelle mediatrici della forza debole (l'altra è il bosone Z) ed è responsabile, tra l’altro, dei processi di decadimento nucleare che alimentano il nostro Sole.

La misura della massa dei mediatori W e Z è particolarmente importante, perché a differenza di quella delle altre particelle del Modello Standard, il loro valore è predetto dalla teoria. Grazie a questa nuova misura di CDF i ricercatori hanno determinato la massa della particella W con una precisione dello 0,01%, ossia due volte maggiore rispetto alla migliore delle precedenti misure, e questo consente loro di testare l’attuale quadro teorico che descrive la natura al livello dei suoi costituenti fondamentali.

La massa del bosone W è circa 80 volte la massa di un protone. Il nuovo risultato è basato sull’osservazione e l’analisi di 4,2 milioni di particelle candidate W, il quadruplo rispetto a quelle dell’analisi pubblicata dalla stessa collaborazione nel 2012. Il valore ottenuto è coerente con molte misure precedenti, ma ve ne sono anche altre in disaccordo. Saranno quindi necessarie future misure per fare maggiore chiarezza su questo aspetto.

La collaborazione CDF ha inoltre comparato il risultato così ottenuto con il valore atteso per la massa del bosone W in base al Modello Standard. Questo valore si ricava con complessi calcoli che legano la massa del bosone W alle misure delle masse di altre due particelle: il quark top, scoperto sempre da CDF e da D0 al Tevatron nel 1995, e il bosone di Higgs, scoperto dagli esperimenti ATLAS e CMS all’acceleratore LHC del CERN nel 2012.

"La misura di precisione della massa del portatore carico delle interazioni deboli, il bosone W, che viene resa pubblica ora, è uno dei più straordinari risultati di CDF: con una raffinata, puntigliosa analisi dei dati raccolti dall’esperimento la massa del W è stata misurata entro incertezze statistiche e sistematiche inferiori a quelle di tutte le precedenti misure combinate insieme", spiega Giorgio Bellettini, ricercatore all’INFN e professore emerito all’Università di Pisa tra i fondatori di CDF e primo responsabile non statunitense dell’esperimento. "Poiché il valore trovato è in tensione con quello atteso a partire dagli altri parametri del Modello Standard, è iniziato un acceso dibattito sul possibile motivo di questa discrepanza; la risoluzione di questa incertezza potrebbe portare a una estensione di fondamentale importanza dell’esistente modello teorico".