La settimana scorsa, alla conferenza annuale Rencontres de Moriond, la collaborazione CMS ha presentato una misurazione dell’effettivo angolo di miscelazione elettrodebole leptonico. Il risultato è la misurazione più precisa eseguita fino ad oggi presso un collisore di adroni ed è in buon accordo con la previsione del Modello Standard.
Il Modello Standard della fisica delle particelle è la descrizione più precisa fino ad oggi delle particelle e delle loro interazioni. Misurazioni precise dei suoi parametri, combinate con calcoli teorici precisi, producono uno spettacolare potere predittivo che consente di determinare i fenomeni anche prima che vengano osservati direttamente.
In questo modo, il modello è riuscito a vincolare le masse dei bosoni W e Z (scoperti al CERN nel 1983), del quark top (scoperto al Fermilab nel 1995) e, più recentemente, del bosone di Higgs (scoperto al CERN nel 2012 ). Una volta scoperte queste particelle, queste previsioni sono diventate controlli di coerenza per il modello, consentendo ai fisici di esplorare i limiti della validità della teoria.
Allo stesso tempo, le misurazioni di precisione delle proprietà di queste particelle sono un potente strumento per la ricerca di nuovi fenomeni oltre il Modello Standard – la cosiddetta “nuova fisica” – poiché i nuovi fenomeni si manifesterebbero come discrepanze tra varie quantità misurate e calcolate.
L'angolo di miscelazione elettrodebole è un elemento chiave di questi controlli di consistenza. È un parametro fondamentale del Modello Standard, che determina come l'interazione elettrodebole unificata ha dato origine alle interazioni elettrodeboli e deboli attraverso un processo noto come rottura della simmetria elettrodebole. Allo stesso tempo, lega matematicamente insieme le masse dei bosoni W e Z che trasmettono l’interazione debole. Quindi, le misurazioni della W, della Z o dell'angolo di mescolamento forniscono un buon controllo incrociato sperimentale del modello.
Le due misurazioni più precise dell'angolo di mescolamento debole sono state eseguite da esperimenti presso il collisore LEP del CERN e dall'esperimento SLD presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). I valori sono in disaccordo tra loro, il che ha lasciato perplessi i fisici per oltre un decennio. Il nuovo risultato è in buon accordo con la previsione del Modello Standard ed è un passo avanti verso la risoluzione della discrepanza tra quest'ultimo e le misurazioni LEP e SLD.
"Questo risultato mostra che la fisica di precisione può essere effettuata con i collisori di adroni", afferma Patricia McBride, portavoce del CMS. "L'analisi ha dovuto gestire l'ambiente impegnativo dell'LHC Run 2, con una media di 35 collisioni simultanee protone-protone. Ciò apre la strada a una fisica più precisa presso l'LHC ad alta luminosità, dove cinque volte più coppie di protoni si scontreranno simultaneamente ."
I test di precisione dei parametri del Modello Standard sono l'eredità dei collisori elettrone-positrone, come il LEP del CERN, che ha operato fino al 2000 nel tunnel che ora ospita l'LHC. Le collisioni elettrone-positrone forniscono un ambiente pulito e perfetto per misurazioni di così alta precisione.
Le collisioni protone-protone nell’LHC sono più impegnative per questo tipo di studi, anche se gli esperimenti ATLAS, CMS e LHCb hanno già fornito una miriade di nuove misurazioni ultra precise. La sfida è dovuta principalmente all'enorme background di processi fisici diversi da quello studiato e al fatto che i protoni, a differenza degli elettroni, non sono particelle elementari.
Per questo nuovo risultato, raggiungere una precisione simile a quella di un collisore di elettroni-positroni sembrava un compito impossibile, ma ora è stato raggiunto.
La misurazione presentata da CMS utilizza un campione di collisioni protone-protone raccolte dal 2016 al 2018 a un'energia del centro di massa di 13 TeV e corrispondente a una luminosità integrata totale di 137 fb −1 , il che significa circa 11 miliardi di milioni di collisioni.
L'angolo di mescolamento si ottiene attraverso l'analisi delle distribuzioni angolari nelle collisioni in cui si producono coppie di elettroni o muoni. Questa è la misurazione più precisa eseguita finora presso un collisore di adroni, migliorando le misurazioni precedenti di ATLAS, CMS e LHCb.
Fornito dal CERN
