Nuove tecnologie per testare il Modello Standard

Il Modello Standard è una teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo della fisica delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali. Tutte le interazioni osservate in natura possono spiegarsi mediante lo studio del comportamento di un certo numero di particelle.

Dato che sono queste particelle ad entrare come costituenti elementari della materia, la base dello studio delle interazioni consiste nell’analisi delle leggi che le regolano (attraverso le quattro interazioni fondamentali).

Schema delle interazioni tra le particelle descritte dal Modello Standard. (Crediti: wikipedia)

Il Modello Standard è anche conosciuto come teoria del “quasi” tutto. Come è noto, pur avendo riunificato la forza elettromagnetica e quella nucleare debole (forza elettrodebole), il Modello Standard non è completo: (i) non include la forza di gravità, che è l’interazione di più debole intensità; (ii) non spiega lo spettro delle masse delle particelle; (iii) contiene diversi parametri arbitrari; (vi) non rende conto dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo, fallisce nell’identificare le particelle fondamentali di materia oscura e nello spiegare l’energia oscura; (v) non riunisce in un’unica teoria l’interazione nucleare forte e la forza elettrodebole, che la teoria della grande unificazione spiega con l’ipotesi che queste due forze a temperature elevate si equivalgono.

In un articolo appena pubblicato sul Journal of Applied Physics un gruppo internazionale di ricercatori riferisce di aver trovato un nuovo sistema o metodo per testare il Modello Standard. In che modo? Innanzitutto ci spiegano l’imponente apparato sperimentale necessario per questo test. Immaginate di avere a disposizione un enorme schermo magnetico che consente di raccogliere dati utilizzando le proprietà dei campi magnetici a bassa energia. L’obiettivo è ottenere una classe di misurazioni ad alta precisione per verificare l’esistenza di parametri fisici oggi ignoti, ma utili per impostare nuove ricerche.

Dettaglio del magnetometro per la realizzazione dell’esperimento EDM. (Crediti: Technische Universität Müchen).

Tobias Lins e Peter Fierlinger della Technische Universität di München spiegano che le misurazioni ad alta precisione sono un aspetto molto importante dei metodi adottati per cercare una fisica al di là del Modello Standard. “Gli esperimenti di precisione sono in grado di sondare la natura fino a scale di energia che potrebbero non essere accessibili dagli esperimenti effettuati con gli attuali collisori”, ha spiegato Lins. Questo perché l’esistenza di particelle esotiche può leggermente alterare le proprietà delle particelle note. Una piccola deviazione dalle proprietà attese può indicare l’esistenza di una nuova particella fondamentale nello zoo delle particelle.

Questo nuovo scudo, costruito su diversi strati di una lega speciale composta da ferro e nichel, possiede un alto grado di permeabilità magnetica che gli consente di funzionare come una vera e propria spugna: secondo Lins, assorbe e ridirige i campi magnetici “come un cuboide di bambole russe in cui gli strati interni possono essere utilizzati singolarmente”. La magnetizzazione dei diversi strati è ovviamente influenzata dall’ambiente (in primis la temperatura).

(Crediti: Astrid Eckert / TUM).

Il primo esperimento in cui verrà usato il nuovo dispositivo concerne il vaglio dei limiti nella distribuzione delle cariche di dipolo elettrico (EDM) in un isotopo di xenon. In pratica, se il valore trovato sarà superiore a quello previsto dal Modello Standard è probabile che esista una nuova particella la cui massa è collegata alla quantità indicata dallo scostamento stesso. Attendiamo ulteriori sviluppi.

Paper di riferimento:

I. Altarev, et alii., A large-scale magnetic shield with 10^6 damping at millihertz frequencies, in ” Journal of Applied Physics”, 12, 2015. DOI: 10.1063/1.4919366.