Il Bosone W sta cambiando la storia della fisica

Una misura ultra-precisa della massa di una particella subatomica sta letteralmente stravolgendo la fisica. In un articolo su Science che forse diverrà una pietra miliare nella storia di questa disciplina, scienziati del Fermilab, il celebre laboratorio per lo studio delle particelle elementari vicino Chicago, negli Stati Uniti, affermano di aver misurato la massa del bosone W con un livello di precisione paragonabile alla misura della massa di un gorilla di 363 chili con un errore inferiore a 42,5 grammi. Il bosone W è una particella che media l’interazione attraverso la cosiddetta forza nucleare debole, una delle quattro forze fondamentali dell’universo che agisce su leptoni e quark.

Il problema non è tanto che questa misura effettuata non è in accordo con le precedenti misure del bosone W quanto il fatto che contraddice il Modello Standard rappresentandone un test cruciale. Il Modello Standard è la teoria che combina meccanica quantistica, relatività speciale e varie simmetrie della natura per spiegare e predire il comportamento delle cosiddette forze elettromagnetiche, nucleari forti e nucleari deboli. Delle quattro forze fondamentali, il Modello Standard lascia fuori soltanto la forza gravitazionale, non potendola ancora integrare, ma resta la teoria più accurata della storia della fisica. Annovera tra i suoi successi quello di aver predetto l’esistenza del bosone di Higgs , una particella che è una sorta di “madre” di tutte le altre: il suo campo quantomeccanico dà luogo alla massa di molte altre particelle, incluso il bosone W.

Il punto cruciale della questione è che se uno conosce la massa del bosone di Higgs può calcolare la massa del bosone W. Ma deve valere anche il viceversa: se uno misura direttamente la massa del bosone W, il risultato deve essere in accordo con il calcolo effettuato a partire dalla massa del bosone di Higgs. L’esperimento effettuato al Fermilab ha dimostrato che questo non è il caso aprendo un problema gravido di conseguenze: molti fisici parlano dell’urgenza di una nuova fisica.

Per esempio, la discrepanza tra il valore teorico predetto dal Modello Standard potrebbe essere dovuto a qualche tipo di particella o interazione atomica finora sconosciuti. D’altronde si sa già che il Modello Standard non è esente da problemi, come il fatto che non rende conto dell’esistenza della materia oscura, in totale circa il 95 per cento di tutto l’universo. Ci sono poi varie anomalie emerse da esperimenti al Cern e al Fermilab riguardanti la disintegrazione di particelle subatomiche come i cosiddetti “beauty quark” e altri problemi con il comportamento magnetico dei muoni.

Va detto che questo nuovo risultato differisce da misure precedenti ottenute con altri acceleratori di particelle, tutti consistenti con il Modello Standard. Quello che occorrerà fare nel futuro sarà quindi capire se c’è qualche tipo di problema nell’esperimento del Fermilab o se siamo davvero all’inizio di un nuovo capitolo della fisica moderna. La storia di questa disciplina insegna che sono state piccole discrepanze a causare improvvisi cambi di paradigma.