La massa del W e il Particle Data Group

Questo post partecipa alla 29.ma edizione del Carnevale della Fisica di Marzo 2012 ospitato da Marco Casolino

Il punto di partenza è il modello standard delle particelle elementari. Esso è costituito da quattro interazioni fondamentali: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole. In particolare quest'ultima è responsabile dei decadimenti radioattivi e della fusione dell'idrogeno nelle stelle. I bosoni di questa interazione (ovvero le particelle scambiate tra i due fermioni che stanno interagendo) sono $W^\pm$ e $Z$. Un esempio di interazione debole è il decadimento del pione $\pi^+$:

Questi tre nuovi tipi di bosoni vennero predetti da Glashow, Weinberg e Salam⁽¹⁾ e quindi scoperti al CERN nel 1983 grazie a una serie di esperimenti condotti da Carlo Rubbia e Simon van der Meer⁽²⁾. Da pochi giorni, però, grazie a una delle ultime analisi provenienti da dati del Tevatron, siamo in possesso di un nuovo valore della massa del $W$ da aggiungere a quelli fin qui collezionati. A proporre la nuova misura è l'esperimento CDF: \[M_W = (80.387 \pm 0.019) GeV\] Combinando questo valore con le altre misure in nostro possesso, si arriva al valore preliminare definitivo che dovrebbe (il condizionale è d'obbligo) essere pubblicato sul Particle Data Group:

E' molto importante, infatti, capire che il valore di $(80.390 \pm 0.016) GeV$ diventerà la nuova massa del $W$ solo dopo la pubblicazione del preprint di CDF (pdf) su una rivista referata e dopo che questo valore verrà inserito nella scheda della particella sul Particle Data Group. E questo sembra non essere stato compreso dai lettori di Tommaso, che ha dato l'annuncio sul suo blog e, soprattutto, ha cercato di spiegare in termini semplici tutto il processo sperimentale e l'analisi dei dati che ha portato alla misura specifica e dunque alla nuova proposta. Ad esempio Wired ha preso per buono il risultato di CDF, nonostante sia preliminare, operando anche la solita semplificazione giornalistica (e un po' popperiana), prendendo il risultato della collaborazione come una sorta di spugna che cancella tutto quello che c'era in precedenza. E una situazione piuttosto antipatica, con gente che arriva per aggiornare un dato non ancora ufficiale, sta accadendo su en.wiki con due versioni (1 e 2) modificate e prontamente riportate allo stato originario questa notte (e una terza dal sottoscritto nel pomeriggio).
Prima che questa follia prenda piede anche in Italia, magari con qualche giornalista che nel fine settimana non sa come riempire la propria colonna e allora parte andando dietro a Wired (quello statunitense, e non il nostrano!), spieghiamo anche cosa sia il Particle Data Group. In poche parole è un gruppo internazionale di fisici che si sono fatti carico di mettere ordine tra i dati sperimentali provenienti dalla fisica delle particelle. Compilano, ogni anno circa per il web, e ogni due anni anche per il cartaceo, le schede delle particelle (con tutte le loro proprietà come numeri quantici e massa), e delle interazioni fondamentali, andando a pescare i dati proprio dalle pubblicazioni referate. Tutto questo lavoro, che diventa così la fonte principale (ma dovrebbe anche essere l'unica) per i dati delle particelle usiamo negli articoli di fisica viene pubblicato su due riviste, il Review of Particle Physics e la sua versione tascabile Particle Data Booklet.
Per cui, fino alla pubblicazione della nuova scheda, il valore della massa del $W$ resta ancora $(80.399 \pm 0.023) GeV$⁽³⁾.

(1) I tre teorici hanno vinto il Nobel nel 1979

per il loro contributo alla teorica dell'interazione unificata debole ed elettromagnetica delle particelle elementari, includendo, tra gli altri, la predizione della corrente neutra debole

Detto questo, vorrei sottolineare tre concetti secondo me chiave nella teoria: simmetria, teoria di gauge e rinormalizzazione.
La simmetria dovrebbe essere un concetto chiaro: una trasformazione che, ad esempio, non cambia un sistema fisico è una trasformazione di simmetria. In fisica, però, si fa uso anche delle teorie di gauge: in questo caso la teoria si basa sul fatto che il sistema presenta invarianza (ovvero non subisce modifiche) non tanto sotto l'azione di trasformazioni globali, ma sotto l'azione di trasformazioni locali (che a loro volta formano un gruppo di trasformazioni continue). I due concetti di globale e locale sono abbastanza intuitivi, ma vale la pena spiegarli: ovviamente una trasformazione globale è una trasformazione di simmetria che agisce su tutto lo spazio; una trasformazione locale, invece, agisce su una porzione molto più piccola dello spazio, una porzione matematicamente detta intorno (o vicinato, usando una traduzione più colloquiale) del punto x che mi interessa studiare.
E infine la rinormalizzazione è un trucco di noi fisici fatto per dimenticarci dell'esistenza delle divergenze nel modello standard! Al momento diciamo che vi basti questo, sulla rinormalizzazione, ma cercherò, comunque, di raccontarvi questo concetto in dettaglio appena ne avrò l'occasione.
Per il momento, comunque, accontentatevi, se volete, di approfondire sulle lezioni da Nobel dei nostri tre illustri teorici:
Glashow, S. (1980). Towards a unified theory: Threads in a tapestry Reviews of Modern Physics, 52 (3), 539-543 DOI: 10.1103/RevModPhys.52.539 (pdf)
Salam, A. (1980). Gauge unification of fundamental forces Reviews of Modern Physics, 52 (3), 525-538 DOI: 10.1103/RevModPhys.52.525 (pdf)
Weinberg, S. (1980). Conceptual foundations of the unified theory of weak and electromagnetic interactions Reviews of Modern Physics, 52 (3), 515-523 DOI: 10.1103/RevModPhys.52.515 (pdf)
Ad ogni modo, vorrei notare che la corrente neutra è stata osservata per la prima volta al CERN nel 1973 e certoè stato uno dei problemi teorici più intriganti nella costruzione della teoria.
(2) I due sperimentali hanno vinto il Nobel appena un anno dopo la scoperta, che è stata riassunta dalle due rispettive lezioni da Nobel:
Rubbia, C. (1985). Experimental observation of the intermediate vector bosons W+, W-, and Z0 Reviews of Modern Physics, 57 (3), 699-722 DOI: 10.1103/RevModPhys.57.699 (pdf)
van der Meer, S. (1985). Stochastic cooling and the accumulation of antiprotons Reviews of Modern Physics, 57 (3), 689-697 DOI: 10.1103/RevModPhys.57.689 (pdf)
(3) Nakamura, K., & , . (2010). Review of Particle Physics Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 37 (7A) DOI: 10.1088/0954-3899/37/7A/075021