Il mondo del piccolo, il regno quantico, potrebbe avere un sapore preferito.
Naturalmente non stiamo parlando di coni gelato da matti. Il mondo delle particelle è diviso in tre campi, chiamati "sapori" (non chiedere perché). Ad esempio, gli elettroni rappresentano un sapore e ci sono altre due particelle con proprietà quasi identiche, il muone e il tau, che hanno i loro sapori. Abbiamo da tempo sospettato - ma non dimostrato - che tutti e tre i gusti dovrebbero essere su un piano di parità.
Ma, ahimè, anni di esperimenti di collider stanno iniziando a suggerire che forse non tutto è uniforme.
I risultati di questi esperimenti sono ancora incerti e non abbastanza significativi da rivendicare la ferma scoperta di una crepa nella bibbia della fisica delle particelle chiamata Modello Standard. Tuttavia, se i risultati reggono, ciò potrebbe aprire la porta alla comprensione di tutto, dalla materia oscura alle origini dell'universo. Sai, i principali problemi irrisolti nella fisica moderna.
Sapori standard
Il modello standard della fisica delle particelle regna sovrano, superando con successo assalti di test da esperimenti in tutto il mondo nel corso di decenni. Questa teoria unifica la nostra comprensione di tre delle quattro forze fondamentali dell'universo - elettromagnetismo, nucleare forte e nucleare debole - sotto un unico banner quantistico. Tutto sommato, è la teoria più collaudata di tutta la scienza, in grado di spiegare una vasta gamma di interazioni fondamentali.
In altre parole, semplicemente non si scherza con il modello standard.
Eppure, sappiamo che questa immagine del mondo subatomico è lungi dall'essere perfetta. Solo per citare un paio di esempi, non spiega le masse di neutrini né ci fornisce un indizio sulla materia oscura. La stragrande maggioranza dei fisici ritiene che esista un'altra teoria, finora sconosciuta, che comprende tutto ciò che il Modello standard è in grado di spiegare e le cose che non può.
La cosa più triste è che non sappiamo che aspetto abbia quella teoria o quali previsioni potrebbe fare. Quindi non solo non conosciamo le risposte complete alla vita, all'universo e a tutto il resto, ma non sappiamo anche come ottenere quelle risposte.
Per trovare suggerimenti di "Una teoria migliore", i ricercatori sono alla ricerca di eventuali imperfezioni o false previsioni del modello standard - una crepa in quella teoria potrebbe forse aprire la porta a qualcosa di più grande.
Una delle numerose previsioni del Modello standard riguarda la natura dei leptoni, che sono minuscole particelle solitarie come elettroni o quark. I leptoni sono raggruppati in tre classi, noti come generazioni o sapori a seconda del fisico che chiedi. Le particelle con sapori diversi condivideranno tutte le stesse proprietà tranne che per masse diverse. Ad esempio, l'elettrone, il muone e la particella tau hanno tutti la stessa carica elettrica e rotazione, ma il muone supera l'elettrone e il tau ancora di più - hanno sapori diversi.
Secondo il modello standard, questi tre tipi di elettroni dovrebbero comportarsi esattamente allo stesso modo. Le interazioni fondamentali dovrebbero produrre ognuna di queste con uguale probabilità; la natura semplicemente non può dire la differenza tra loro, quindi non favorisce realmente un sapore rispetto a un altro.
Per quanto riguarda i tre sapori, la natura adotta l'approccio napoletano: tutti.
Un bellissimo risultato
Questa è tutta teoria, però, e quindi dovrebbe essere testata. Nel corso degli anni, vari esperimenti, come quelli condotti nel Large Hadron Collider al CERN e nella struttura BaBar, in cui le particelle fondamentali si frantumano in enormi collisioni. Le particelle risultanti prodotte da quelle collisioni potrebbero fornire indizi su come la natura funzioni ai livelli più profondi. E alcune di queste collisioni sono state progettate per vedere se alla natura piace un sapore di leptone rispetto agli altri.
In particolare, un tipo di particella, chiamato quark bottom, gode davvero di decadere in leptoni. A volte diventa un elettrone. A volte un muone. A volte un tau. Ma non importa quale, tutti e tre i sapori hanno le stesse possibilità di emergere dal relitto.
I fisici sono riusciti ad accumulare centinaia di milioni di tali decadimenti nei quark bottom e, a partire da qualche anno fa, nei dati è apparso qualcosa di strano: la natura sembrava favorire le particelle di tau in queste interazioni un po 'più degli altri leptoni. Tuttavia, era statisticamente significativo, quindi era facile evitare questi risultati come un semplice colpo di fortuna statistico; forse, non avevamo mai eseguito abbastanza delle collisioni perché tutto potesse pareggiare.
Ma con il passare degli anni, il risultato è rimasto bloccato, come sottolinea il fisico Antonio Pich, dell'Università di Valencia in Spagna, in una recensione di questa ricerca pubblicata nel database di prestampa arXiv a novembre. La natura sembra piuttosto testarda quando si tratta del suo apparente favoritismo della particella tau. Il risultato non è ancora conclusivo, ma la sua persistenza nel corso degli anni e attraverso diversi esperimenti ha creato un vero grattacapo.
Modello non così standard
Nel Modello Standard, i diversi sapori dei leptoni ottengono il loro ... beh, sapore ... attraverso le loro interazioni con il bosone di Higgs: più un sapore interagisce con l'Higgs, maggiore è la sua massa. Ma per il resto la natura non fa distinzioni tra loro, quindi la previsione che tutti i sapori dovrebbero apparire allo stesso modo in tutte le interazioni.
Ma se queste cosiddette "anomalie del sapore" sono davvero una caratteristica reale del nostro universo e non solo un bug nella raccolta dei dati, allora abbiamo bisogno di un modo per spiegare perché la natura dovrebbe preoccuparsi più della particella tau che dell'elettrone o del muone. Una possibilità è che ci possa essere più di un tipo di bosone di Higgs che vola in giro - uno per fornire le masse dell'elettrone e del muone, e un altro che è particolarmente affezionato alla tau, consentendogli di uscire dalle interazioni più spesso.
Un'altra possibilità è che ci siano particelle extra che parlano con la tau - particelle che non abbiamo ancora visto negli esperimenti. O forse c'è qualche simmetria fondamentale della natura che si rivela solo attraverso i sussurri delle reazioni leptoniche - in altre parole, una nuova forza della natura che appare solo in queste interazioni oscure e rare.
Fino a quando non avremo confermato le prove (in questo momento, il significato statistico di questa differenza è di circa 3-sigma, che rappresenta una probabilità del 99,3% che questo risultato sia solo un colpo di fortuna, mentre il "gold standard" per la fisica delle particelle è 5-sigma, o 99,97%), non possiamo esserne sicuri. Ma se le prove si restringono, potremmo potenzialmente utilizzare questa nuova intuizione per trovare nuova fisica oltre il Modello standard, aprendo la possibilità di spiegare l'inspiegabile spiegazione attualmente, come la fisica dell'universo primordiale o qualunque cosa diavolo stia succedendo con materia oscura.
