Da quando il Large Hadron Collider è entrato in funzione al CERN dieci anni fa, il suo obiettivo principale è stato quello di trovare segnali di “nuova fisica”, cioè osservare fenomeni non previsti dal modello standard delle particelle, oppure verificare fenomeni previsti ma mai dimostrati sperimentalmente.

Finora però la sua scoperta più clamorosa, quella del bosone di Higgs nel luglio del 2012, è stata l’osservazione sperimentale dell’ultimo tassello mancante del modello standard, dunque un’ulteriore conferma della sua capacità di descrivere le interazioni tra le componenti della materia a livello microscopico.

A cambiare le cose potrebbe essere il nuovo risultato che abbiamo ottenuto alla collaborazione Large Hadron Collider beauty, LHCb in breve, presentato la scorsa settimana in un (virtualmente) affollato seminario al CERN e alla conferenza Rencontres de Moriond 2021. Questa affermazione richiede tutte le cautele del caso perché la forza statistica della nostra conclusione, pur essendo la massima mai raggiunta prima sul fenomeno specifico, non è sufficiente a definirla una “scoperta”.

L’anomalia

Il fenomeno in questione è un particolare decadimento dei mesoni B, particelle instabili e composte da due quark, uno più pesante, chiamato quark beauty, e uno più leggero, che troviamo anche nella materia ordinaria come protoni e neutroni.

I mesoni B sono studiati con particolare attenzione dall’esperimento LHCb, uno dei quattro grandi rilevatori situati lungo l’anello di 27 chilometri dell’LHC in corrispondenza di una delle quattro regioni di collisione. In queste regioni, i protoni vengono fatti scontrare ad altissime energie centinaia di milioni di volte al secondo per generare un enorme numero di particelle elementari.

Credit: LHCb online event display.

Tra i frammenti delle collisioni troviamo elettroni, quark leggeri, ma anche particelle più esotiche e instabili come, appunto, i quark beauty.

Analizzando i dati raccolti con il nostro rivelatore nei passati dieci anni, a LHCb abbiamo misurato prima di tutto la frequenza dei decadimenti dei mesoni B in due muoni e lo abbiamo fatto con precisione mai raggiunta prima.

I muoni sono particelle elementari della famiglia dei leptoni, uguali agli elettroni ma circa 200 volte più pesanti. Il modello standard prevede che questi processi siano estremamente rari, avvenendo circa 3 volte su 1 miliardo di decadimenti dei mesoni B.

La nostra nuova misura, che porta anche la firma dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, conferma questa previsione teorica, tuttavia c’è qualcosa che non torna.

A LHCb abbiamo investigato anche i decadimenti rari dei mesoni B in tre particelle: un kaone e due elettroni oppure un kaone e due muoni (il kaone è un mesone composto da due quark leggeri).

Secondo il modello standard, finora quasi infallibile, questi decadimenti devono avvenire con la stessa frequenza; una proprietà che va sotto il nome di “universalità del sapore leptonico” (elettroni e muoni sono infatti entrambi leptoni ma di “sapore” diverso). Dalla nostra nuova analisi, sembra invece che questi due decadimenti non avvengano allo stesso ritmo, in particolare sembra che i mesoni B preferiscano il decadimento in elettroni piuttosto che quello in muoni.

Nel grafico qui sotto sono mostrate le misure del rapporto di queste due frequenze (chiamato R_K) effettuate da diversi esperimenti negli ultimi dieci anni. Un valore inferiore a 1 segnala che i mesoni B decadono più frequentemente in elettroni che in muoni. Gli esperimenti BaBar allo Stanford Linear Accelerator Center in California e Belle all’acceleratore KEKB in Giappone, avevano già effettuato questa misura, ma con una precisione non sufficiente a osservare questo effetto. Con i dati raccolti nei primi cinque anni a LHC, noi di LHCb avevamo ripetuto la misura, pubblicata nel 2019, misurando un valore inferiore a 1 con una significatività statistica di 2,5 deviazioni standard. La nuova stima ottenuta da LHCb, il punto nero più in basso, aggiunge alla precedente analisi i dati raccolti nel 2017 e nel 2018 raggiungendo la più alta precisione al mondo.

Credit: LHCb.

Entusiasmo ma cautela

La significatività statistica di questa misura è di 3,1 deviazioni standard, ciò significa che la probabilità che la misura di R_K sia inferiore a 1 per via di un effetto casuale nei dati è di circa 1 su 1000. Sebbene questo sia un numero piuttosto piccolo, è necessario che il risultato sia confermato su un campione più grande di dati e da altre misure indipendenti.

In LHCb è infatti in corso un fervente scrutinio di molti decadimenti del quark beauty che possano smentire o confermare quanto osservato. Allo stesso tempo, una versione potenziata del nostro rivelatore è attualmente in costruzione al CERN, così da poter registrare, a partire dall'anno prossimo, una quantità ancora più grande di eventi di collisione. Infine, i nostri colleghi ad ATLAS e CMS, ma anche i ricercatori dell'esperimento Belle II in Giappone, che ha appena cominciato la sua attività, dovrebbero essere in grado di eseguire misure che possano aiutarci a risolvere l'enigma, quindi restate in attesa!

Una conferma definitiva di questo risultato porterebbe a una cambiamento radicale nella nostra conoscenza della fisica delle particelle elementari. Questa anomalia non è infatti interpretabile attraverso le quattro interazioni fondamentali note (gravitazionale, debole, elettromagnetica, forte), ma deriverebbe necessariamente da una quinta forza fondamentale, a noi sconosciuta.

Sorprendentemente, vari altri decadimenti osservati sia da LHCb che da altri esperimenti negli anni passati, sebbene non conclusivi se considerati individualmente, sembrano puntare tutti coerentemente verso la stessa direzione. I fisici teorici hanno già formulato dei modelli che sarebbero in grado di spiegare queste anomalie grazie a un nuovo tipo di interazione, trasportata ad esempio da bosoni denominati “Z primo” o da particelle che combinano insieme le proprietà dei leptoni e dei quark, i cosiddetti “leptoquark”. La produzione e l’osservazione di questi strani mediatori nelle collisioni a LHC sarebbe una prova incontrovertibile della loro esistenza, ma le ricerche hanno finora dato esito negativo (per lo meno fino alla massima energia raggiunta).

Sin dalla sua formulazione negli anni '70 il modello standard ha retto stoicamente a numerosissime evidenze sperimentali: che stia finalmente cominciando a incrinarsi?