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La Fisica delle particelle elementari

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Come LEP ha cambiato 

la fisica delle particelle

 
Guido Altarelli
CERN, Ginevra,Università e Sezione INFN di Roma Tre
Il LEP ha portato a dei grandi progressi nella fisica delle particelle. Per comprendere la portata di questi sviluppi è bene cominciare con il riassumere l'assetto concettuale della teoria delle interazioni fondamentali. Il modello teorico di riferimento per la comprensione quantitativa delle particelle elementari e delle loro interazioni è il cosiddetto Modello Standard (MS). Questa teoria descrive in un unico schema le interazioni forti, elettromagnetiche e deboli, cioè quelle che in fisica delle particelle hanno importanza per riprodurre tutti gli effetti osservati (le interazioni gravitazionali tra particelle elementari sono completamente trascurabili nelle condizioni sperimentali realizzabili in laboratorio). I costituenti fondamentali della materia sono i quark e i leptoni. L'insieme di tali oggetti, che forma una cosiddetta famiglia o generazione, è dato da:

quark e leptoni della prima famiglia

u u u ne

d d d e

 

I quark up (u), di carica elettrica 2/3, (in unità della carica del protone) e down (d), di carica elettrica -1/3, appaiono tre volte perché possono avere tre diversi valori di un'altra carica, detta "colore". I leptoni, che hanno colore 0, sono l'elettrone con carica -1 e il neutrino con carica 0. Tutta la materia che vediamo, composta di atomi, è fatta di quark up e down e di elettroni. È stato quindi con sorpresa che si è scoperto che in realtà esistono altre due famiglie di quark e leptoni, con identiche cariche elettrodeboli e di colore:

quark e leptoni della seconda e terza famiglia

c c c nm

s s s m

t t t nt

b b b t

L'unica differenza tra le famiglie è la massa che diviene progressivamente più grande dalla prima alla terza famiglia, e quindi le particelle sono sempre più instabili (ed è per questo che sono molto più difficili da osservare). L'origine di questa misteriosa ripetizione è tuttora completamente oscura. Le interazioni forti tra quark avvengono per scambio di gluoni (che esistono in 8 colori diversi). I quark ed i leptoni hanno interazioni elettrodeboli che sono mediate dai bosoni di gauge, cioè dal fotone, g, e dai bosoni deboli W+, W- e Zo I leptoni non hanno interazioni forti (perché non hanno colore).

La struttura formale della teoria e la sua consistenza interna si basano su una prescrizione di simmetria, detta simmetria di gauge, che fissa in modo univoco le interazioni tra quark, leptoni e bosoni di gauge, in modo identico per le tre famiglie. Tuttavia la simmetria che governa le interazioni non è rispettata dalle masse. La simmetria di gauge richiederebbe masse nulle per quark e leptoni come pure per i bosoni di gauge. Invece abbiamo visto che le tre famiglie di quark e leptoni hanno masse non nulle e molto diverse tra loro (il quark top, indicato con t, ha una massa circa pari a quella di 185 protoni messi assieme), e tra i bosoni di gauge solo il fotone e i gluoni hanno massa nulla, mentre i W e Zo sono molto pesanti (all'incirca come 86 e 97 protoni, rispettivamente). Per spiegare le masse, nel MS si introducono una o più particelle di Higgs dotate di accoppiamenti elettrodeboli e con interazioni molto differenti con le varie specie di quark e di leptoni: le masse sono per l'appunto un prodotto di queste interazioni con le particelle di Higgs.

LEP ha funzionato tutti gli anni dal 1989 al 2000, esclusi i mesi invernali, con grande regolarità, affidabilità e con prestazioni ben al di là del progetto, confermando la qualità eccezionale dei costruttori di macchine acceleratrici del CERN. Fino alla fine del 1995, l'energia totale nel centro di massa è stata calibrata a circa 91GeV in modo da studiare la particella Zo (LEP1): dal 1995 in poi l'energia è stata gradualmente aumentata fino a raggiungere i 208GeV (LEP2) per studiare la produzione di coppie di W+W- e per portare avanti la ricerca della particella di Higgs e di nuovi fenomeni al di là del MS. Ci sono infatti forti ragioni teoriche per aspettarsi che tutta una nuova fisica si debba aprire ad energie non troppo più alte della massa dell'Higgs.

LEP ha studiato con grande precisione le proprietà fisiche della Zo. Ne ha misurato i parametri fondamentali con un alto livello di raffinatezza: per esempio, la massa con la precisione di circa due parti su centomila e la vita media all'un per mille. Ha misurato gli accoppiamenti della Zo. ai quark e ai leptoni, realizzando con ciò una serie di verifiche di precisione delle previsioni del MS, con un'accuratezza di qualche permille (vedi per esempio Fig. 1). Quindi il LEP ha dato al MS una solida base sperimentale.

La precisione di LEP è così alta che si è potuto verificare l'effetto delle correzioni quantistiche alle previsioni della teoria. Tali correzioni sono anche sensibili alle masse delle particelle che non sono prodotte nelle reazioni studiate, perché troppo pesanti, ma che entrano come stadi intermedi nel calcolo teorico dei processi. Così LEP ha potuto fornire una predizione della massa del quark top prima della sua effettiva scoperta al collider protone-antiprotone del Fermilab presso Chicago. Per esempio, dai dati elettrodeboli, oggi si ottiene, assumendo che il MS è corretto, una predizione della massa del top (e anche della massa dei W) in perfetto accordo con la misura diretta di queste masse, come si vede nella Fig. 2. Così pure dalle correzioni radiative LEP ha messo un limite superiore sulla massa dell'Higgs di circa 200 GeV, un risultato di grande importanza sia teorica, come vincolo imposto a ogni teoria alternativa della rottura della simmetria elettrodebole, che pratica, per le prospettive di trovare tale particella

Dal complesso dei test di precisione effettuati al LEP è risultato che effettivamente le varie interazioni della Zo. sono esattamente quelle prescritte dalla simmetria di gauge. Quindi le interazioni sono perfettamente simmetriche mentre le masse non riflettono affatto tale simmetria. Questo bizzarro comportamento è tipico delle simmetrie spontaneamente rotte e del meccanismo di Higgs. Quindi LEP ha dato una fortissima indicazione sperimentale che il meccanismo di Higgs è effettivamente operante, che la particella di Higgs ha i numeri quantici previsti (in particolare isospin debole uguale a 1/2) e che deve essere non troppo pesante.

Un ulteriore contributo di grande importanza di LEP1 è stato di fornire una prova che la ripetizione delle famiglie non va oltre la terza ricorrenza. Precisamente LEP ha dimostrato che esistono solo tre neutrini. Infatti più neutrini ci sono più è corta la vita della particella Zo (in quanto sono possibili più canali di decadimento del tipo Zo® nn che danno ciascuno un contributo uguale). Dalla misura della vita della Zo (Fig. 3) si ottiene per il numero di neutrini Nn= 2,9835±0,0083. Questo è un punto fermo di grande rilievo. Infatti poiché non si ha un'idea dell’origine di questa ripetizione di famiglie identiche, salvo che per le masse crescenti, si poteva immaginare un'ulteriore ripetizione, magari infinita.

Una serie di risultati di grande interesse sono stati ottenuti nello studio dei quark pesanti, in particolare del quark b, e del leptone pesante t. Non solo le larghezze di decadimento G( Zo® bb), G( Zo® cc), G( Zo® t+ t-),sono state misurate con grande precisione, per escludere che qualche discrepanza dal MS si manifestasse negli accoppiamenti alla terza generazione di quark e leptoni, ma anche sono state eseguite molte misure di punta delle proprietà delle particelle con beauty (masse, vite medie) e del leptone t.

Inoltre LEP ha anche contribuito in maniera rilevante alla fisica delle interazioni forti. Per esempio, lo studio dei decadimenti della Zo e del leptone t in adroni hanno permesso di ottenere una misura della costante di accoppiamento forte con precisione eccezionale:as(m2z)=0,119±0,0003. Paragonando questo valore con quello ottenuto da altri processi si ottiene una verifica del settore delle interazioni forti nel MS, la Cromodinamica Quantistica.

I risultati principali del LEP nella versione LEP2 di alta energia comprendono la misura della massa del W con una precisione dello 0,5 per mille, leggermente migliore di quella ottenuta al Fermilab. La misura di mw permette un'ulteriore verifica di precisione del MS perché tale massa può essere calcolata a partire da mzdalle masse dei quark e dei leptoni e dalle costanti di accoppiamento, in funzione della massa dell'Higgs. Inoltre dallo studio della frequenza di produzione di coppie W+W- si ottiene una verifica degli accoppiamenti tra tre bosoni di gauge, ovvero dei vertici W+W-g e W+W- Zo, in accordo con il MS.

Infine a LEP2 il programma di punta è stata la ricerca della particella di Higgs e di eventuali nuove particelle. Prima di LEP, nel 1989, della massa dell'Higgs si sapeva solo che doveva essere più grande di si e no 1GeV: oggi sappiamo che deve essere maggiore di 113 GeV. Quindi, combinando il limite superiore dai test di precisione con il limite inferiore dalla ricerca diretta, LEP ha limitato la massa dell'Higgs del Modello Standard in un piccolo intervallo tra 113 e circa 200 GeV.

Nelle ultime settimane LEP, spinto all'energia massima possibile di oltre 206 GeV, ha prodotto un certo numero di eventi che indicano la presenza di una particella di Higgs con massa circa uguale a 115 GeV. Questo risultato ha prodotto una grande eccitazione in tutta la comunità della fisica delle particelle. Purtroppo il LEP non può raggiungere una energia sufficiente per uno studio adeguato di questo segnale. Ma se questo risultato risulterà confermato in futuro, al Tevatron Collider del Fermilab e al Large Hadron Collider, il nuovo acceleratore che entrerà in funzione al CERN nel 2005, si avrà un ulteriore trionfo per il LEP. Questa sarebbe una degna conclusione del programma di LEP, una macchina che ha svolto perfettamente il suo compito di sottoporre il MS ad una verifica quantitativa di precisione e di stabilire dei limiti molto restrittivi sulla costruzione di ogni concepibile estensione della teoria.