L’esperimento LHCb, in corso all’acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, ha osservato un tipo di decadimento di un barione – una particella composta da tre quark – incredibilmente raro. Si tratta della disintegrazione di un barione sigma-plus (Σ⁺) in un protone, un antimuone e un muone: i calcoli indicano che la probabilità che questo decadimento avvenga è pari a uno su 100 milioni.
La ricerca – guidata da Francesco Dettori, professore associato di fisica sperimentale all’Università di Cagliari e associato INFN, e Francesca Dordei, ricercatrice della sezione di Cagliari dell’INFN, in collaborazione con la sezione di Perugia dell’INFN (in particolare Viacheslav Duk, Gabriele Martelli e Mauro Piccini) e l’Università di Santiago de Compostela – è stata pubblicata oggi sulla rivista Physical Review Letters, dopo essere stata presentata alla conferenza biennale sulla fisica delle alte energie della European Physical Society, che si è svolta a Marsiglia dal 7 all’11 luglio scorsi.
I barioni sono le particelle che costituiscono il tipo di materia di cui è fatto l’intero l’universo visibile. Lo studio dei loro decadimenti ha una grande importanza per verificare la correttezza delle previsioni del Modello Standard, la teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali e il comportamento delle particelle elementari, e l’eventuale esistenza di indizi di “nuova fisica” oltre il modello.
“Il Modello Standard delle particelle elementari è, a oggi, la sintesi più completa della nostra comprensione della fisica fondamentale: descrive con straordinaria precisione le particelle conosciute e le forze che agiscono tra di esse, e le sue previsioni sono state confermate da numerosi esperimenti, anche ad altissima precisione”, spiega Francesca Dordei. “Viene quindi da chiedersi: perché cercare qualcosa al di là di questo modello? La risposta sta nella natura stessa della ricerca scientifica, spinta dalla curiosità e dal desiderio di esplorare l’ignoto. Ma c’è di più: esistono fenomeni osservati nell’universo, come la materia oscura o l’enigmatica predominanza della materia sull’antimateria, che il Modello Standard non riesce ancora a spiegare. Proprio per questo, si va alla ricerca di segnali che possano indicare la presenza di nuove leggi della fisica”.
“Lo studio dei decadimenti rari delle particelle che già conosciamo permette di capire se esistano particelle o interazioni a noi ignote, in quanto gli effetti quantistici dovuti alla presenza di queste ultime modificherebbero le probabilità di questi decadimenti”, aggiunge Francesco Dettori. “Non a caso, storicamente, diverse particelle – per esempio il quark charm – sono state scoperte con questi metodi ‘indiretti’, molto tempo prima di avere a disposizione le energie necessarie per produrle direttamente”.
Le prime prove della possibile esistenza del decadimento del barione Σ⁺ in protone, antimuone e muone furono raccolte dall’esperimento HyperCP al laboratorio FermiLab di Batavia, negli Stati Uniti, circa 20 anni fa. I risultati riportati all’epoca sembravano indicare che il processo potesse coinvolgere fenomeni non previsti dal Modello Standard. Così, oltre a caratterizzare per la prima volta il decadimento del barione Σ⁺, nel loro studio i ricercatori e le ricercatrici di LHCb hanno verificato anche la coerenza dell’osservazione con le previsioni del modello.
L’analisi ha preso in considerazione i dati registrati dall’esperimento LHCb tra il 2016 e il 2018, ottenuti dalla collisione di protoni accelerati all’acceleratore LHC del CERN. Sebbene LHCb non fosse inizialmente concepito per lo studio di particelle di massa così bassa (il barione Σ⁺ ha una massa di poco superiore a quella del protone), la loro abbondante produzione – dell’ordine di cento milioni di miliardi di particelle, nel periodo considerato – ha permesso di studiare questi decadimenti, anche grazie a tecniche avanzate di machine learning. In particolare, sono state analizzate circa 250 misurazioni del decadimento del Σ⁺ oggetto della ricerca: il risultato, oltre a rappresentare l’osservazione del decadimento più raro mai rivelato di un barione, conferma con ottima precisione le previsioni del Modello Standard.
“Anche stavolta il Modello Standard ha avuto la meglio”, commenta Dordei. “I dati sono ancora perfettamente in linea con le sue previsioni, a conferma della sua incredibile solidità, nonostante sia stato sviluppato ormai decenni fa. Ma proprio per questo, siamo motivati a spingerci ancora oltre, cercando indizi di nuove interazioni in fenomeni sempre più rari e sfuggenti”.
La verifica del Modello Standard e la ricerca di eventuali fenomeni non previsti dalla teoria proseguirà anche in futuro, con un forte coinvolgimento del gruppo di ricerca dell’Università di Cagliari e della sezione locale dell’INFN, che fa parte della collaborazione LHCb dal 1998 e, tra i vari contributi all’esperimento, è specializzato nella fisica dei decadimenti rari di particelle prodotte nelle collisioni protone-protone a LHC.
“Per scoprire nuovi aspetti della natura, è fondamentale esplorare una grande varietà di fenomeni”, conclude Dettori. “Anche se esistono molte teorie che estendono il Modello Standard, non possiamo sapere in anticipo quale sia quella corretta e quindi quali segnali di nuova fisica troveremo. Serve quindi una strategia a tutto campo, pronta a cogliere qualsiasi segnale fuori dal previsto”.
