Bosone W, l’alba di una nuova fisica?

L’ultimo numero della rivista Science riporta una grande «W» sovrapposta al titolo «Peso massimo». Non è un rebus, ma una delle scoperte che più sta facendo discutere la comunità scientifica. La lettera «W» si riferisce all’omonima particella elementare, il «bosone W» la cui scoperta valse a Carlo Rubbia e a Simon van der Meer il premio Nobel del 1984. Uno studio appena pubblicato su Science dimostra che la sua massa è diversa da quanto prevede la teoria dello 0,1%. Poco, si dirà. Ma abbastanza da far parlare i media di «crisi», «risultato shock», «rivoluzione scientifica».
La particella W non è uno dei costituenti della materia, ma viaggia tra le altre trasmettendo la cosiddetta «interazione debole», cioè il meccanismo alla base della radioattività. Insieme all’interazione nucleare forte che tiene insieme i nuclei degli atomi, all’elettromagnetismo e alla gravità forma il cosiddetto «Modello Standard», la teoria messa a punto negli anni ’70 che descrive in modo incredibilmente preciso il comportamento della materia composta da quark, elettroni e altre particelle instabili. L’osservazione del bosone di Higgs nel 2012, una conferma di una previsione risalente agli anni ’60, sembrava averne sancito la correttezza.

SECONDO il Modello, il bosone W deve essere circa 80 volte più pesante di un protone. L’equipe internazionale che ha lavorato all’esperimento Collider Detector (Cdf) del laboratorio statunitense Fermilab di Chicago ha riesaminato i dati raccolti fino al 2011 e ha scoperto che la massa del «W» è circa 60-80 MeV superiore al valore previsto. Una differenza minima ma non trascurabile. «Abbiamo sfruttato una migliore conoscenza del rilevatore e i progressi nella comprensione teorica e sperimentale dell’interazione tra il bosone W e le altre particelle – spiega Ashutosh V. Kotwal della Duke University statunitense, che ha condotto l’analisi ed è uno dei 400 fisici impegnati al Cdf -. Quando abbiamo svelato il risultato, abbiamo scoperto che è diverso dalla previsione del Modello Standard».
La possibilità che una discrepanza tra teoria e esperimenti sia dovuta solo a fluttuazioni statistiche è sempre presente quando si parla di particelle elementari. E infatti è raro che due esperimenti forniscano risultati perfettamente coincidenti. In passato, diverse contraddizioni tra il Modello Standard e dati empirici si sono rivelate fittizie alla luce di esperimenti più esaustivi o analisi più accurate. Ma i fisici del Cdf stavolta ci credono. «Molti esperimenti negli acceleratori hanno misurato la massa del bosone W negli ultimi 40 anni» dice Giorgio Chiarelli dell’Istituto nazionale di fisica nucleare di Pisa e uno dei due portavoce dell’esperimento Cdf. «Sono misure complicate che hanno ottenuto una precisione sempre maggiore. Esaminare tutti i dettagli e fare i necessari controlli ci ha richiesto molti anni. È il risultato più solido ottenuto finora, e la differenza tra valori attesi e misurati rimane».
Anche se la differenza è piccola, la probabilità che la massa del bosone W misurata al Fermilab diverga dalla teoria solo per un caso è circa una su 780 miliardi. I fisici considerano affidabile una scoperta se la probabilità di un’origine casuale è inferiore a una su 3,5 milioni.

SE CONFERMATO da ulteriori verifiche indipendenti, quindi, si tratterebbe del primo discostamento così statisticamente significativo tra il Modello Standard e gli esperimenti. E richiederebbe di mettere mano alla teoria ipotizzando nuove particelle e nuove interazioni.
Gli scienziati non le conoscono ancora, ma da un po’ parlano di «Nuova Fisica». La massa del bosone W infatti non è l’unica cosa che non torna nel Modello Standard. Diversi esperimenti negli ultimi mesi hanno fatto emergere anomalie tra dati e teoria riguardo a altre particelle elementari. Sempre al Fermilab, ad esempio, sono state rilevate discrepanze rispetto alle previsioni nel comportamento dei neutrini e nel magnetismo del muone.

AL CERN DI GINEVRA ulteriori anomalie sono state individuate nel decadimento dei mesoni. Queste differenze non hanno ancora raggiunto la significatività statistica necessaria e diversi laboratori nel mondo lavorano alla loro conferma o smentita. In ogni caso, che il Modello Standard sia perlomeno incompleto è convinzione diffusa. Le osservazioni sulla struttura su larga scala dell’universo e sulla sua evoluzione non si spiegano se non ipotizzando l’esistenza di materia ed energia «oscure», non comprese nel Modello Standard. Finora nessuno scienziato è mai riuscito a osservarle direttamente ma i dati suggeriscono ai cosmologi che la parte oscura rappresenti il 95% dell’universo.

DIVERSI FISICI però manifestano anche qualche scetticismo riguardo alla nuova scoperta del Fermilab. «Non dobbiamo discutere della nuova fisica prima di aver capito perché l’esperimento Cdf è così in contraddizione rispetto a tutti gli altri» ha scritto ad esempio sul suo blog il fisico Matthias Schott, che a Ginevra ha lavorato a un’altra misurazione della massa del bosone W pubblicata nel 2021 e in accordo con la teoria. Schott si dice anche contrariato dal fatto che il risultato sia stato pubblicato su una rivista – pur prestigiosa come Science – prima di essere condiviso attraverso il web.
«Viviamo nel 2022 e oggi è buona norma farlo in modo che la comunità possa discutere di questi risultati. Consentirebbe una verifica da parte dei tanti scienziati che lavorano su argomenti analoghi». Anche Schott però ammette che «l’analisi è straordinaria» e che «vale la pena continuare a lavorare sulla massa del bosone W». Serviranno altri esperimenti e nuovi calcoli per capire se l’era della Nuova Fisica è davvero iniziata.