ENP

ENP (Exploring New Physics) è un’Iniziativa Specifica della Commisione IV (Fisica Teorica) dell’INFN, rivolta allo studio della fenomenologia delle particelle elementari ai collisori attuali e futuri. Infatti, con la scoperta del bosone di Higgs, avvenuta nel 2012 da parte delle collaborazioni ATLAS e CMS al CERN, il Modello Standard delle interazioni fondamentali (forti ed elettrodeboli) è una teoria coerente e ben suffragata dalle osservazioni sperimentali. Tuttavia non si è in grado di spiegare fenomeni quali la materia oscura, l’asimmetria barionica o le oscillazioni dei neutrini. Dal punto di vista teorico, inoltre, il Modello Standard presenta il cosiddetto problema della gerarchia: la massa del bosone di Higgs ad alta energia cresce come il quadrato della scala di energia, sino a divergere per scale dell’ordine della massa di Planck (massimo valore permesso per una particella elementare). Inoltre, il Modello Standard non spiega perché si abbiano tre famiglie di quark e leptoni, coi componenti della terza famiglia, e cioè i quark top e bottom e il leptone tau col suo neutrino, assai più pesanti rispetto a quelli delle altre due.

Sono stati pertanto elaborati i cosiddetti modelli di Nuova Fisica, che estendono il Modello Standard ad alte energie e permettono di spiegare queste osservazioni sperimentali e risolvere i problemi aperti di natura più concettuale. Queste teorie coincidono in ogni caso col Modello Standard nel limite di bassa energia.

L’iniziativa ENP si propone dunque di studiare la fenomenologia di questi modelli, con particolare riguardo alle ricerche di fisica oltre il Modello Standard condotte a LHC e, in prospettiva, ai futuri collisori. 
Allo stesso tempo, vengono svolti studi di precisione dello stesso Modello Standard, in particolare nell’ambito della QCD (Quantum Chromodynamics), la teoria delle interazioni forti, in quanto processi mediati dalla QCD possono sovente dar luogo a stati finali e osservabili analoghe a quelle predette dai modelli di Nuova Fisica (cosiddetto “background” o “fondo” rispetto alle ricerche oltre il Modello Standard).
E’ quindi fondamentale avere sotto controllo i background con la massima precisione, prima di potere eventualmente affermare che si è osservato un fenomeno di Nuova Fisica.

Dal punto di vista delle teorie oltre il Modello Standard, il gruppo ENP dei Laboratori Nazionali di Frascati studia la fenomenologia della supersimmetria, che prevede per ogni fermione (bosone) del Modello Standard un bosone (fermione) supersimmetrico, con la stessa massa (nel limite di supersimmetria esatta) e numeri quantici, a meno dello spin. Vengono esplorati inoltre modelli nei quali le interazioni fondamentali sono unificate in un’unica forza ad alta energia (Teorie di Grande Unificazione) e predicono un bosone vettore neutro, la cosiddetta Z’, alle energie di LHC, dell’ordine del TeV. I modelli cosiddetti 331, dal punto di vista della struttura della teoria dei gruppi, anch’essi spiegano invece l’esistenza delle tre famiglie e l’asimmetria della terza. Poiché queste teorie predicono anche bosoni e scalari con carica 2, assenti nel Modello Standard, è compito della collaborazione ENP studiarne la fenomenologia e seguire le ricerche sperimentali.

Per quanto riguarda invece i calcoli di precisione nell’ambito del Modello Standard, viene studiato soprattutto il quark top, il più pesante del modello, che ha un ruolo fondamentale nelle ricerche di Nuova Fisica, in quanto processi con la produzione di top sono fondi per vari modelli oltre il Modello Standard. In particolare, il valore della massa del quark top è di notevole rilevanza per qualsiasi verifica di precisione del Modello Standard e persino per la stabilità dell’universo in cui viviamo. Nell’ambito di ENP, si intende studiare in dettaglio l’incertezza teorica sulla misura della massa del top e l’interpretazione delle misure di ricostruzione della massa, che si basano sull’uso di simulazioni Monte Carlo, in termini delle definizioni di massa in teoria dei campi. Inoltre, sono oggetto di studio nuovi metodi per calcolare le probabilità di transizione che, nella rappresentazione dei diagrammi di Feynman del Modello Standard, presentano due loop, e l’applicazione di tali tecniche a processi nei quali viene prodotto il bosone di Higgs.