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Dopo oltre 40 anni di ricerche i fisici del CERN hanno trovato le prime prove di un decadimento raro al punto da verificarsi più o meno una volta ogni 10 miliardi di decadimenti di particelle beauty. A tagliare il traguardo è stato il gruppo che lavora all’esperimento LHCb, che ha presentato i risultati nel corso di un seminario al CERN. Si tratta della prima volta in cui un singolo esperimento riesce a raccogliere indizi sufficienti per un evento così sfuggente. E il valore della scoperta va ben oltre la rarità in sé, perché processi di questo tipo potrebbero aiutare a studiare particelle troppo massicce per essere create direttamente nel Large Hadron Collider.
Protagonista della vicenda è una particella chiamata Bd, composta da un quark beauty e da un antiquark down. I ricercatori hanno trovato prove del fatto che questa particella possa decadere in una coppia di muoni, particelle simili agli elettroni ma con una massa maggiore. I risultati sono in linea con le previsioni del Modello Standard, la teoria di riferimento che descrive le particelle fondamentali e le loro interazioni, e contribuiscono a restringere il campo delle possibili nuove particelle che si collocano oltre questo quadro.
Perché un decadimento così raro interessa tanto ai fisici
Uno dei motivi per cui questi fenomeni insoliti attirano così tanta attenzione riguarda gli effetti quantistici, che permettono ad altre particelle di influenzare il modo in cui avvengono. Anche particelle troppo pesanti per essere prodotte nell’acceleratore potrebbero lasciare tracce sottili nella frequenza di questi processi. Misurando con grande precisione i decadimenti più rari, gli scienziati possono cercare differenze tra i dati sperimentali e le previsioni teoriche. Eventuali scostamenti rappresenterebbero una prova indiretta dell’esistenza di particelle ancora sconosciute e, in linea generale, più un decadimento è raro più si rivela sensibile a queste influenze nascoste.
Il decadimento del Bd in due muoni appartiene a una categoria speciale che i fisici considerano da tempo uno dei canali d’oro per indagare la fisica oltre il Modello Standard. Durante il processo un quark beauty e un antiquark con carica elettrica opposta si annichilano a vicenda, e la loro energia si trasforma in un muone e nella sua antiparticella. Un processo simile, legato a un’altra particella beauty chiamata Bs, era già stato osservato. Nel 2015 un’analisi congiunta delle collaborazioni LHCb e CMS aveva confermato per la prima volta il decadimento del Bs in due muoni, insieme a un primo indizio di quello molto più raro del Bd. Le analisi successive, che includevano i dati raccolti fino al 2018, non erano però riuscite a confermare quel segnale. La differenza di rarità è notevole: il decadimento del Bs avviene circa tre volte ogni miliardo di decadimenti di particelle beauty, mentre quello del Bd dovrebbe verificarsi circa 30 volte meno spesso.
Un rivelatore potenziato e la soglia delle tre deviazioni standard
A fare la differenza è stato un importante aggiornamento di LHCb. Dal 2024 l’esperimento raccoglie dati a una velocità cinque volte superiore rispetto al periodo tra il 2010 e il 2018 e il rivelatore è diventato più bravo a distinguere i vari tipi di particelle, offrendo un quadro più nitido di ciò che accade durante le collisioni. Il gruppo ha unito questi miglioramenti a tecniche di apprendimento automatico per separare i segnali rarissimi dall’enorme quantità di altri processi. Senza questi progressi gli eventi cercati sarebbero rimasti sommersi dal rumore di fondo. “I fisici inseguono questo decadimento da più di quarant’anni” ha spiegato Marco Santimaria, che ha guidato insieme ad altri il gruppo internazionale di 19 scienziati. “Serve una precisione estrema per riconoscere i muoni in mezzo a un fondo così imponente.”
Nella fisica delle particelle si usa una misura statistica chiamata deviazione standard per valutare quanto sia probabile che un segnale derivi da fluttuazioni casuali anziché da un vero fenomeno fisico. Per parlare di prova servono tre deviazioni standard, livello al quale la probabilità che il caso produca un segnale almeno altrettanto estremo è di circa lo 0,3%. Con i dati raccolti nel 2024 e nel 2025 i ricercatori hanno ottenuto una significatività di 3,0 deviazioni standard, salita a 3,2 combinando le misure con quelle raccolte tra il 2011 e il 2018. La stessa analisi ha prodotto anche le misure più precise mai ottenute per il decadimento del Bs. Per dichiarare un’osservazione confermata servono però cinque deviazioni standard e, se quella soglia verrà raggiunta, il decadimento del Bd diventerà il più raro mai osservato tra quelli delle particelle beauty.
I prossimi passi con il nuovo acceleratore
Le misure promettono di diventare ancora più incisive con il High Luminosity LHC, noto anche come HiLumi LHC, la cui entrata in funzione è prevista per il 2030. Un ulteriore potenziamento di LHCb è in programma per la metà del decennio successivo e, insieme, questi sviluppi potrebbero moltiplicare per dieci la velocità di raccolta dei dati. Archivi così ampi consentirebbero di individuare molti più decadimenti di questo tipo e di misurarne le proprietà con maggiore accuratezza, aumentando la sensibilità verso effetti legati a particelle fuori dalla portata degli acceleratori attuali. “Vedere le prove di questo decadimento raro è davvero emozionante e apre nuove possibilità per esplorare oltre la portata diretta di LHC” ha dichiarato Harry Cliff, responsabile dei decadimenti rari di LHCb e tra i coordinatori dell’analisi. “Il futuro aggiornamento di LHCb ci permetterà di osservare molti più decadimenti di questo tipo, garantendo una sensibilità ancora maggiore verso particelle non ancora scoperte.”
Fonte: TecnoAndroid