Il Modello Standard della fisica delle particelle elementari descrive molto bene la dinamica delle interazioni elettromagnetiche, nucleare forte e nucleare debole, e ha retto molte prove sperimentali. Tuttavia esso non spiega alcuni fenomeni osservati sperimentalmente, come l’esistenza della Materia Oscura, e soffre di una serie di problemi teorici. Il più serio di questi problemi è il così detto problema della Naturalezza del bosone di Higgs.

Alcune considerazioni teoriche pongono la massa “naturale” del bosone di Higgs circa 17 ordini di grandezza (100 milioni di miliardi di volte) più in alto di dove si trova, cioè a circa 120 GeV. Diversi modelli teorici, tra cui la SUSY, forniscono dei meccanismi che consentono di riconciliare questi problemi teorici e offrire buoni candidati di materia oscura. Ma come si cercano sperimentalmente questi nuovi fenomeni al di là del modello standard? Oggi parlerò solo di uno degli approcci possibili, il più spettacolare, quello che consentirebbe di dire senza ombra di dubbio “Eureka!”: l’approccio della fisica di scoperta, quella di LHC.

A LHC si fanno scontrare protoni accelerati a 7 TeV ciascuno, nella speranza che l’energia sprigionata dalla collisione dia vita a nuove particelle ancora sconosciute. Queste particelle, se esistessero, decadrebbero in brevissimo tempo, ma noi potremmo studiare i prodotti di decadimento rivelati dai detector posti attorno ai punti in cui avvengono le collisioni, per cercare di scoprirne l’esistenza. Ma cosa si cerca di preciso? Ci sono alcune caratteristiche, chiamate segnature, tipiche di questa Nuova Fisica. Vediamone alcune.

Regine delle segnature sono i decadimenti in due leptoni (elettrone o muone soprattutto) o in due fotoni. Sia i leptoni che i fotoni sono semplici da identificare e consentono analisi con pochi eventi spuri (di fondo). Misurando l’energia e il momento dei leptoni e dei fotoni si può calcolare la massa (tramite la formula m^2 = E^2 – p^2) della particella che li ha prodotti. La Nuova Fisica sarebbe nient’altro che un picco ad una massa dove non esistono particelle “Standard”.

Un’altra segnatura tipica è la presenza di energia trasversa mancante. I modelli teorici che spiegano l’esistenza della Materia Oscura devono prevedere l’esistenza di una particella massiva, debolmente interagente e stabile, il candidato costituente della Materia Oscura. Questa particella, se prodotta nella catena di decadimento, riuscirebbe a fuggire dal detector senza lasciare tracce, portando via parte dell’energia totale dell’evento.

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Purtroppo però negli acceleratori di protoni non si conosce esattamente l’energia iniziale di una collisione, poiché il protone è composto da quarks e noi possiamo conoscere solo in maniera statistica l’energia che è trasportata da ogni quark. Poiché le collisioni dei protoni avvengono testa-a-testa, il momento iniziale nel piano perpendicolare alla direzione dei fasci di particelle è nullo e nullo deve restare anche nello stato finale. Si può quindi calcolare l’energia trasversa usando sempre la solita formula E_T^2 = m^2 + p_T^2 nella quale si utilizza solo il momento “trasverso” (p_T) rispetto la direzione dei fasci di particelle. In principio E_T dovrebbe essere nulla, ma in realtà i neutrini (che anch’essi fuggono dal detector senza essere rivelati) contribuiscono a un valore di E_T maggiore di zero. Eccessi del valore di E_T rispetto al valore previsto per il solo contributo dei neutrini sarebbero un segnale chiaro di Nuova Fisica.

La combinazione delle segnature di energia trasversa mancante e della presenza di leptoni è poi un’arma sperimentale molto potente per poter studiare fenomeni promettenti e che hanno il vantaggio di avere pochi (o addirittura zero) processi nel Modello Standard che possono creare eventi di fondo spurio.
C’è purtroppo da registrare che ricerche di questo tipo sono state svolte molto estensivamente dagli esperimenti di LHC senza dare alcun riscontro. Lasciando la comunità scientifica nel dubbio che l’ipotesi peggiore, quella del Grande Deserto, stia iniziando a materializzarsi.