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Ancora domande aperte sul quark-top

In un post dello scorso mese di Febbraio, ho pubblicato la notizia relativa ad un metodo trovato dai fisici che lavorano agli esperimenti CDF e DZero presso il Fermi National Accelerator Laboratory che ha permesso di produrre un quark-top attraverso l’interazione debole. Oggi, dopo quasi 20 anni dalla sua scoperta, avvenuta proprio al Fermilab nel 1995, gli scienziati sono ancora interessati alla particella più pesante del modello standard.

Il diagramma mostra un singolo quark-top che viene creato attraverso l’interazione debole. Un quark interagisce con un antiquark, crea un bosone W che media l’interazione debole. Il bosone quindi decade in un quark-top e un antiquark-bottom, che possono essere osservati dai rivelatori CDF e DZero. Credit: Fermilab

Se gli scienziati perdessero l’interesse in una particella dopo la sua scoperta, tante cose su come funziona il nostro Universo potrebbero rimanere potenzialmente nascoste. Per fortuna, però, esiste ancora un gruppo di fisici che vogliono saperne di più su questa particella appartenente alla categoria dei ‘pesi massimi’. In tal senso, al recente workshop Top 2014, tenutosi a Cannes in Francia, si sono dati appuntamento 130 fisici sperimentali e teorici allo scopo di presentare una panoramica dei più recenti risultati ottenuti da LHC e dal Tevatron, nonché sui più recenti sviluppi teorici che riguardano la fisica del quark-top e sulle nuove prospettive che potrebbero presentarsi per gli acceleratori di prossima generazione. Una delle questioni più importanti affrontata al workshop è stata quella di capire se c’è una sorta di legame speciale tra il quark-top e il/(i) bosone/(i) di Higgs. Le due particelle, che pesano rispettivamente 173 GeV e 125 GeV, sono dei giganti in confronto alle altre particelle elementari (ad esempio, il quark-bottom ha una massa poco più di 4 GeV mentre il protone pesa poco meno di 1 GeV). Secondo il modello standard, che descrive le proprietà e le interazioni delle particelle, le particelle acquisiscono massa interagendo con il campo di Higgs. Dunque, la domanda è: come mai il quark-top interagisce molto di più con il bosone di Higgs rispetto alle altre particelle note? Le misure dirette delle interazioni quark-top/bosone di Higgs dipendono dal modo attraverso il quale vengono osservate le collisioni che producono le due particelle, per così dire, “fianco a fianco”. Ma ciò non si è ancora verificato nel caso di una produzione elevata anche perchè tali eventi richiedono energie più elevate rispetto a quelle che potrebbero fornire il Tevatron o LHC. Tuttavia, gli scienziati sono fiduciosi di rivelare preziosi indizi soprattutto con i prossimi esperimenti che saranno condotti da LHC quando entrerà in funzione nel 2015.

Le misure della massa del quark-top ottenute con gli esperimenti realizzati presso LHC e Fermilab. Credit: Fermilab e CERN

Un altro problema riguarda la produzione del quark-top e della rispettiva antiparticella che, nonostante sia stata misurata con grande precisione, sembra deviare dai valori attesi. Ma nel corso dell’ultimo anno, i teorici hanno eseguito tutta una serie di calcoli apportando delle correzioni matematiche con un livello senza precedenti che hanno permesso di riallineare le misure. In questo campo della fisica, la precisione è di fondamentale importanza e rappresenta una sfida continua. Dunque, se i ricercatori non sono in grado di conciliare tali deviazioni, allora la conclusione logica è che queste differenze rappresentino qualcosa di nuovo (nuove particelle, nuove interazioni), in altre parole una ‘nuova fisica’ oltre il modello standard. La necessità di ottenere misure estremamente precise ha portato alla nascita di nuove collaborazioni nell’ambito della ricerca. Di fatto, all’inizio di quest’anno, il primo annuncio congiunto Fermilab-CERN ha fissato uno standard mondiale per la massa del quark-top. Un tale livello di precisione permette di affinare altri metodi che possono essere applicati per affrontare diverse questioni di fisica fondamentale. Ora, la produzione del quark-top è così ben controllata che è diventata di per sè uno strumento utile per studiare gli stessi rivelatori.

Con l’imminente riavvio previsto nel 2015, LHC produrrà milioni di eventi fornendo così ai ricercatori una grande mole di dati per lo studio del quark-top. Ma gli scienziati dovranno ancora far fronte agli errori sistematici dovuti al rumore di fondo e alla natura stessa degli strumenti. Insomma, nonostante i due laboratori del Fermilab e del CERN abbiano unito le loro forze per produrre risultati sempre più precisi, gli scienziati devono ancora imparare molto dal quark-top. Ricordiamo che nel 2004, la misura del quark-top si basava su appena 22 eventi, oggi gli scienziati stanno analizzando milioni di eventi. E’ incredibile vedere come le cose si sono evolute nel corso degli ultimi anni.

Symmetry: Top quark still raising questions

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