In un articolo pubblicato oggi su European Physical Journal C , la collaborazione ATLAS riporta la prima misurazione ad alta precisione al Large Hadron Collider (LHC) della massa del bosone W. Questa è una delle due particelle elementari che mediano l'interazione debole, una delle forze che governano il comportamento della materia nel nostro universo. Il risultato riportato fornisce un valore di 80370±19 MeV per la massa W, che è coerente con le aspettative del Modello Standard della Fisica delle Particelle, la teoria che descrive le particelle conosciute e le loro interazioni.

La misurazione si basa su circa 14 milioni di bosoni W registrati in un solo anno (2011), quando l'LHC funzionava all'energia di 7 TeV. Corrisponde alle misurazioni precedenti ottenute a LEP, l'antenato dell'LHC al CERN, e al Tevatron, un ex acceleratore del Fermilab negli Stati Uniti, i cui dati hanno permesso di affinare continuamente questa misura negli ultimi 20 anni.

Il bosone W è una delle particelle conosciute più pesanti dell'universo. La sua scoperta nel 1983 ha coronato il successo del Super protone-antiprotone sincrotrone del CERN, che ha portato al Premio Nobel per la fisica nel 1984. Sebbene le proprietà del bosone W siano state studiate per più di 30 anni, misurare la sua massa ad alta precisione rimane una sfida importante.

"Raggiungere una misurazione così precisa nonostante le condizioni impegnative presenti in un collisore di adroni come l'LHC è una grande sfida, " ha detto il coordinatore di fisica della Collaborazione ATLAS, Tancredi Carli. "Raggiungendo una precisione simile, come precedentemente ottenuto in altri collisori, con un solo anno di dati di Run 1 è notevole. È un'indicazione estremamente promettente della nostra capacità di migliorare la nostra conoscenza del Modello Standard e cercare segni di nuova fisica attraverso misurazioni altamente accurate".

Il Modello Standard è molto potente nel predire il comportamento e alcune caratteristiche delle particelle elementari e permette di dedurre alcuni parametri da altre grandezze note. Le masse del bosone W, il quark top e il bosone di Higgs per esempio, sono legati da relazioni di fisica quantistica. È quindi molto importante migliorare la precisione delle misurazioni della massa del bosone W per comprendere meglio il bosone di Higgs, perfezionare il Modello Standard e verificarne la coerenza complessiva.

Sorprendentemente, la massa del bosone W può essere oggi prevista con una precisione superiore a quella delle misurazioni dirette. Ecco perché è un ingrediente chiave nella ricerca di nuova fisica, in quanto qualsiasi deviazione della massa misurata dalla previsione potrebbe rivelare nuovi fenomeni in contrasto con il Modello Standard.

La misura si basa su un'accurata calibrazione del rivelatore e sulla modellizzazione teorica della produzione del bosone W. Questi sono stati ottenuti attraverso lo studio degli eventi del bosone Z e diverse altre misurazioni ausiliarie. La complessità dell'analisi ha significato che il team ATLAS ha impiegato quasi cinque anni per raggiungere questo nuovo risultato. Ulteriori analisi con l'enorme campione di dati LHC ora disponibili, consentirà una precisione ancora maggiore nel prossimo futuro.