Decadimento molto raro di un mesone B+ osservato a Lhcb. Crediti: Cern
L’esperimento Lhcb al Cern ha annunciato oggi nuovi risultati che, se confermati, suggerirebbero una violazione del modello standard della fisica delle particelle. I risultati si concentrano sulla potenziale violazione dell’universalità leptonica e sono stati annunciati alla conferenza internazionale 55th Rencontres de Moriond 2021 sulle interazioni elettrodeboli e le teorie unificate, oltre che in un seminario online del Cern.
Il modello standard della fisica delle particelle fornisce quella che attualmente può essere considerata la nostra migliore descrizione delle particelle fondamentali e delle loro interazioni, confermata da numerosi esperimenti. In accordo con questo modello, le particelle fondamentali si distinguono in leptoni, quark e particelle mediatrici di forza. I leptoni sono sei: tre hanno carica elettrica (intera) negativa – elettroni, muoni e tau – mentre gli altri tre sono neutrini, particelle estremamente elusive, prive di carica elettrica. Anche i quark sono sei e spesso vengono raggruppati a coppie: up/down, charm/strange e top/bottom (quest’ultimo chiamato anche beauty, la cui massa è circa quattro volte la massa del protone). Per ciascuna di queste particelle esiste anche l’antiparticella. I quark, a differenza dei leptoni, sono “socievoli” e si trovano in gruppi (particelle composte) chiamati adroni, di cui ne esistono due classi: barioni e mesoni. I barioni sono adroni composti da tre quark, mentre i mesoni contengono un quark e un antiquark. Per esempio, due particelle di cui sicuramente avrete sentito parlare sono i protoni – composti da 2 quark up e 1 quark down – e i neutroni – composti da 1 quark up e 2 quark down.
Insomma, di particelle ce ne sono parecchie ma, nonostante questo, forse non bastano. È chiaro che il modello è in qualche modo incompleto perché non riesce a spiegare alcuni aspetti importanti: le osservazioni cosmologiche che evidenziano un predominio della materia sull’antimateria, l’apparente contenuto di materia oscura dell’universo, oppure spiegare gli schemi riscontrati nelle forze di interazione delle particelle. I fisici delle particelle stanno quindi cercando un’eventuale “nuova fisica”, nuove particelle e nuove interazioni che riescano a spiegare le carenze dell’attuale modello. Per farlo, un metodo è quello di confrontare le misurazioni delle proprietà del decadimento degli adroni con le previsioni del modello standard.
Per esempio, è possibile prevedere in maniera precisa quantità misurabili nel decadimento di un adrone B+ in un kaone K+ più due leptoni carichi. L’adrone B+ contiene l’antiquark beauty e K+ contiene l’antiquark strange, quindi il decadimento implica una transizione da antiquark beauty in antiquark strange. In accordo con il modello standard, i mediatori di questi processi sono quelli della forza elettrodebole. La scoperta presentata oggi riguarda una possibile rottura di quella che viene chiamata universalità leptonica nel processo di decadimento appena descritto.
Per capire cosa sia questa universalità leptonica e cosa abbiano trovato al Cern, Media Inaf ha raggiunto Stefano Marcellini, ricercatore all’Istituto nazionale di fisica nucleare, esperto di fisica delle particelle e divulgatore scientifico, che introduce così la scoperta: «Nel modello standard delle particelle elementari, l’elettrone è la particella più leggera di una serie di fratelli più pesanti, che hanno proprietà del tutto identiche ad esso, a parte la maggiore massa. L’elettrone e le sue repliche più massive, dette rispettivamente muone e tau, si chiamano genericamente leptoni carichi. Il modo in cui le interazioni fondamentali della natura agiscono sui tre diversi tipi di leptoni carichi è esattamente lo stesso. In particolare, sottraendo le differenze dovute alla diversa massa dei tre leptoni carichi, i processi dovuti alle interazioni deboli che vedono coinvolto un elettrone, un muone o un tau, avvengono esattamente con la stessa probabilità. Questa caratteristica, ben nota da più di mezzo secolo di fisica sperimentale, si chiama in gergo conservazione del sapore leptonico. Tutti gli esperimenti effettuati finora in fisica delle particelle non hanno mai mostrato eccezioni, quello che altrimenti costituirebbe la lepton flavour violation, la violazione del sapore leptonico».
Il risultato di Lhcb in neretto,
confrontato con misure di altri esperimenti precedenti, sempre da parte di Lhcb. Crediti: Stefano Marcellini/Infn
«L’esperimento Lhcb del Cern», continua Marcellini, «ottimizzato per studiare con precisione la fenomenologia della produzione e del decadimento di particelle contenenti quark pesanti di tipo beauty e charm a Lhc, ha forse osservato un indizio di violazione del sapore leptonico. Alcuni decadimenti di particelle che contengono il quark di tipo beauty scelgono di avvenire con frequenze diverse se in essi è coinvolto un muone rispetto a un elettrone. Sembrano preferire un tipo di leptone rispetto all’altro, violando questa simmetria delle leggi della natura prevista nel modello standard».
«Per ora è solo un indizio, un risultato a 3.1 sigma, come dicono i fisici», conclude Marcellini. «Significa in pratica che questo risultato potrebbe essere in realtà dovuto a una fluttuazione statistica, e sono necessari più dati per confermare o smentire il risultato, dati che l’esperimento Lhcb raccoglierà con la prossima riaccensione dell’acceleratore Lhc. Se questo risultato dovesse essere confermato, sarebbe una scoperta molto importante, perché costituirebbe la prima osservazione diretta di fisica oltre il modello standard, dato che, secondo la teoria corrente, questo fenomeno non dovrebbe accadere. L’augurio è che i prossimi dati confermino questa osservazione preliminare, perché questo implicherebbe dover spiegare questo fenomeno ipotizzando nuove teorie, che auspicabilmente implicheranno nuovi fenomeni. Insomma, nuove cose da scoprire e da studiare. È questo il motore della scienza».
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv il pre-print dell’articolo “Test of lepton universality in beauty-quark decays” della Lhcb collaboration