Come abbiamo avvicinato molto il 2021 alla teoria del tutto

Il Modello Standard della fisica delle particelle spiega la fisica di base di come funziona l’universo. Ma ci sono scappatoie in esso. Nel 2021, gli scienziati stanno mettendo in evidenza alcuni dei modi in cui il Modello Standard non può spiegare ogni mistero dell’universo. Questo, combinato con la nuova tecnologia sviluppata nell’ultimo anno, sta aiutando i fisici ad avanzare nella ricerca di una teoria del tutto.

Nel 2021, i fisici di tutto il mondo hanno condotto alcuni esperimenti interessanti per esaminare il Modello Standard. I team hanno misurato i parametri chiave del modello in modo più accurato che mai. Altri hanno scoperto i limiti in cui le migliori misurazioni sperimentali non corrispondono del tutto alle previsioni del Modello Standard. Infine, i gruppi hanno costruito tecniche più potenti progettate per spingere il modello ai suoi limiti e possibilmente scoprire nuove particelle e campi.

Nel 1897, J.J. Thomson scoprì la prima particella fondamentale, l’elettrone, utilizzando tubi e fili di vetro sotto vuoto. Più di 100 anni dopo, i fisici stanno ancora scoprendo nuovi pezzi del Modello Standard.

Cosa (non può) fare il Modello Standard

Il Modello Standard è un framework predittivo che fa due cose. Innanzitutto, spiega quali sono le particelle fondamentali della materia. Queste sono cose come elettroni e quark che compongono protoni e neutroni. In secondo luogo, prevede come le particelle di materia interagiranno tra loro usando “particelle messaggere”. Chiamati bosoni – compresi i fotoni e il famoso bosone di Higgs – trasmettono le forze fondamentali della natura. Il bosone di Higgs è stato scoperto solo nel 2012 dopo decenni di lavoro al CERN, l’enorme acceleratore di particelle.

Il Modello Standard è incredibilmente bravo a prevedere molti aspetti di come funziona il mondo, ma ha alcune scappatoie. In particolare, non contiene una descrizione della gravità. Sebbene la teoria della relatività generale di Einstein descriva come funziona la gravità, i fisici devono ancora scoprire la particella che trasmette la gravità.

Un’altra cosa che il Modello Standard non può fare è spiegare perché una particella ha una certa massa: i fisici devono misurare la massa delle particelle direttamente usando gli esperimenti. Solo dopo che gli esperimenti hanno fornito ai fisici queste esatte masse possono essere utilizzate per le previsioni. Migliori sono le misurazioni, migliori sono le previsioni che possono essere fatte.

Neutrino en muonen

Di recente, i fisici del team del CERN Misura quanto si sente forte il bosone di Higgs. Anche un altro team del CERN possiede la massa del bosone di Higgs Misurato in modo più accurato che mai. Infine, sono stati compiuti progressi anche nella misurazione della massa dei neutrini. I fisici sanno che i neutrini hanno una massa maggiore di zero, ma minore di quella attualmente rilevabile. Un team in Germania ha continuato a migliorare le tecniche che consentono loro di misurare direttamente la massa dei neutrini.

Ad aprile 2021 I membri dell’esperimento Muon g-2 al Fermilab hanno annunciato la loro prima misurazione del momento magnetico del muone. Il muone è una delle particelle fondamentali nel Modello Standard e questa misurazione di una delle sue proprietà è la più accurata fino ad oggi. La ragione dell’importanza di questo esperimento era che la misurazione non corrispondeva esattamente alla previsione del modello standard del momento magnetico. I muoni fondamentalmente non si comportano come dovrebbero. Questo risultato potrebbe indicare l’interazione delle particelle non rilevate con i muoni.

Ma allo stesso tempo, nell’aprile 2021, il fisico Zoltan Fodor e i suoi colleghi hanno dimostrato come hanno usato un metodo matematico chiamato Lattice QCD per calcolare con precisione il momento magnetico del muone. La loro previsione teorica è diversa dalle previsioni precedenti, funziona ancora all’interno del Modello Standard e, cosa più importante, è coerente con le misurazioni sperimentali del muone. La nuova misurazione deve ora essere riconciliata con la nuova previsione prima che i fisici sappiano se il risultato sperimentale è veramente al di fuori del Modello Standard.

miglioramento tecnologico

Il 2021 è stato anche un anno importante per lo sviluppo di strumenti sperimentali per la fisica. Innanzitutto, il più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider del CERN, è stato spento e ha subito alcuni miglioramenti sostanziali. I fisici hanno riavviato la struttura a ottobre e prevedono di iniziare a raccogliere i prossimi dati a maggio 2022. Gli aggiornamenti hanno aumentato la potenza dell’acceleratore in modo che possa causare collisioni a 14 TeV, rispetto al precedente limite di 13 TeV. Ciò significa che le spinte di minuscoli protoni che viaggiano in gruppi attorno all’acceleratore circolare trasportano insieme la stessa quantità di energia di un treno passeggeri da 360.000 chilogrammi che viaggia a 100 miglia all’ora. Con questa enorme quantità di energia, i fisici potrebbero scoprire nuove particelle che fino ad ora erano troppo pesanti per essere viste.

Alcuni altri progressi tecnologici sono stati fatti per aiutare la ricerca della materia oscura. Molti astrofisici credono che le particelle di materia oscura, che attualmente non si adattano al Modello Standard, potrebbero rispondere ad alcune domande aperte su come la gravità si piega attorno alle stelle – chiamata lente gravitazionale – e la velocità con cui le stelle ruotano nelle galassie a spirale. Progetti come la Cryogenic Dark Matter Search devono ancora trovare particelle di materia oscura, ma i team stanno sviluppando rivelatori più grandi e più sensibili che verranno impiegati nel prossimo futuro.

Sorprendente è anche lo sviluppo di nuovi massicci rivelatori come Iper Kamiokandi in un non so. Con l’aiuto di questi rivelatori, gli scienziati possono rispondere a domande su un’asimmetria fondamentale nel modo in cui oscillano i neutrini. Saranno anche usati per esaminare il decadimento del protone, un fenomeno proposto che dovrebbe verificarsi secondo alcune teorie.

(kg)