Le anomalie in crescita del Large Hadron Collider aumentano le speranze
Tra le caotiche catene di eventi che ne conseguono quando i protoni si rompono insieme al Large Hadron Collider in Europa, è spuntata una particella che sembra andare in pezzi in un modo peculiare.
Tutti gli occhi sono sul mesone B, una coppia di particelle di quark. Dopo aver catturato odori inattesi del comportamento del mesone B in precedenza, i ricercatori con l'esperimento di bellezza Large Hadron Collider (LHCb) hanno trascorso anni a documentare rari eventi di collisione con le particelle, nella speranza di dimostrare in modo conclusivo che qualche nuova particella o effetto fondamentale si sta intromettendo con loro.
Nella loro ultima analisi , presentata per la prima volta a un seminario a marzo, i fisici di LHCb hanno scoperto che diverse misurazioni che coinvolgono il decadimento dei mesoni B sono leggermente in conflitto con le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle – l'insieme regnante di equazioni che descrivono il mondo subatomico. Preso da solo, ogni stranezza sembra una fluttuazione statistica e possono evaporare tutte con dati aggiuntivi, come è successo prima . Ma la loro deriva collettiva suggerisce che le aberrazioni possono essere briciole di pane che portano al di là del Modello Standard a una teoria più completa.
"Per la prima volta nella mia vita lavorativa, c'è una confluenza di diversi decadimenti che mostrano anomalie corrispondenti", ha dichiarato Mitesh Patel , fisico delle particelle all'Imperial College di Londra che fa parte di LHCb.
Il mesone B è così chiamato perché contiene un quark inferiore, una delle sei particelle di quark fondamentali che rappresentano la maggior parte della materia visibile dell'universo. Per ragioni sconosciute, i quark si dividono in tre generazioni: pesante, medio e leggero, ciascuno con quark di carica elettrica opposta. I quark più pesanti decadono nelle loro variazioni più leggere, cambiando quasi sempre anche la loro carica. Per esempio, quando il quark di fondo pesante carico negativamente in un mesone B lascia cadere una generazione, di solito diventa un quark di "fascino" di peso medio, caricato positivamente.
La collaborazione con LHCb analizza il relitto di ammassi di particelle per eccezioni a questa regola. Per ogni milione di decadimenti del mesone B che vedono, un evento marginale mette in mostra un quark di fondo ribelle metamorfosi in uno "strano" quark invece, lasciando cadere una generazione ma mantenendo la sua carica negativa. Il modello standard prevede il tasso estremamente basso di questi eventi e il modo in cui si svolgeranno. Ma poiché sono così rari, qualsiasi modifica proveniente da particelle o effetti da scoprire dovrebbe essere ovvia.
La nuova analisi di LHCb ha riguardato circa 4.500 rari decadimenti del mesone B, raddoppiando approssimativamente i dati del loro precedente studio del 2015. Ogni trasformazione termina con quattro particelle in uscita che colpiscono un rivelatore a forma di anello. Quando gli sperimentatori hanno confrontato i vari angoli tra le particelle con gli angoli previsti dal Modello Standard, hanno trovato una deviazione dal modello atteso. Il significato collettivo degli angoli anomali è cresciuto leggermente dall'ultima analisi e i ricercatori affermano che le nuove misurazioni raccontano anche una storia più unificata. "Improvvisamente la coerenza tra i diversi osservabili angolari è migliorata molto", ha dichiarato Felix Kress, un ricercatore di LHCb che ha contribuito a sgretolare i numeri.
Statisticamente, la deviazione nel modello angolare equivale a lanciare una moneta 100 volte e ottenere 66 teste, piuttosto che le solite 50 o giù di lì. Per una moneta giusta, le probabilità di tale deviazione sono circa 1 su 1.000.
Ma tra una gran quantità di collisioni di particelle, le fluttuazioni statistiche sono destinate a sorgere, quindi una deviazione 1 su 1.000 non conta come prova concreta di una rottura con il Modello Standard. Per questo, i fisici dovranno accumulare abbastanza decadimenti del mesone B per dimostrare una deviazione di 1 su 1,7 milioni, simile a lanciare 75 teste. "Se questa è una nuova fisica", ha detto Jure Zupan, un fisico teorico dell'Università di Cincinnati, dell'attuale aggiornamento, "non è abbastanza significativo".
Tuttavia, il modello osservato suggerisce che qualcosa non funziona con i prodotti di decadimento del mesone B nella famiglia leptonica, l'altra categoria di particelle di materia oltre ai quark. Come i quark, i leptoni si presentano in generazioni pesanti, medie e leggere (chiamate rispettivamente particelle di tau, muoni ed elettroni); il modello standard dice che sono tutti identici ad eccezione della loro massa. Ogni decadimento del mesone B termina sparando su una doppia coppia di uno dei tre tipi di leptoni. L'ultimo aggiornamento di LHCb si è concentrato sul modello angolare anomalo prodotto dagli eventi muonici, che sono i più facili da rilevare.
L'esperimento registra anche un numero minore di decadimenti del mesone B che terminano con gli elettroni. Il modello standard richiede che entrambi i tipi di decadimento si svolgano esattamente allo stesso modo, ma un'analisi del 2014 condotta dal team di LHCb ha scoperto una possibile differenza tra gli eventi di muoni e gli eventi di elettroni. Nel loro insieme, le anomalie potrebbero significare che la novità potrebbe risiedere non solo nei muoni, ma anche negli elettroni.
Il gruppo di Patel sta attualmente lavorando a un aggiornamento della misurazione elettrone contro muone, che secondo lui rende l'osservazione molto più “pulita”, inequivocabile delle sole misurazioni dell'angolo del muone. "Questo è un assassino modello standard", ha detto.
Se le anomalie del mesone B sono reali, i fisici hanno due teorie principali per spiegarle.
Una nuova, ipotetica particella portatrice di forza chiamata bosone Zʹ assomiglierebbe alla forza debole standard che trasforma una particella di materia in un'altra, tranne che influenzerebbe elettroni e muoni in modo diverso. Come bonus, il bosone Zʹ implicherebbe anche l'esistenza di una particella enorme aggiuntiva che potrebbe costituire la materia oscura mancante dell'universo. "Stiamo passando al passo successivo, che sta cercando non solo di spiegare l'anomalia, ma di collegare l'anomalia ad altri problemi", ha dichiarato Joaquim Matias , un fisico teorico dell'Università Autonoma di Barcellona.
La possibilità più esotica è che i ricercatori di LHCb stiano rilevando i suggerimenti di una particella leggendaria – il leptoquark – che può trasformare un quark in un leptone e viceversa. I teorici hanno a lungo contemplato la possibilità di leptoquark, ma l'idea è diventata meno popolare poiché gli esperimenti hanno escluso i tipi più semplici. Tuttavia, l'albero genealogico di quark di tre generazioni assomiglia sospettosamente all'albero genealogico leptonico , e nessuno dei due schemi è ben compreso. I mesoni B in decomposizione possono rivelare un legame leptoquark tra loro. "Questo è il sogno", ha detto Zupan.
Dato che i teorici considerano queste possibilità, il team di LHCb dovrà vedere se riescono a lanciare abbastanza teste per dimostrare che la loro moneta non è assolutamente standard – uno sforzo che potrebbe richiedere il resto del decennio.
Alla fine, tuttavia, la comunità della fisica delle particelle resisterà alla conferma di un apparato diverso, come l' esperimento Belle II in Giappone o uno dei due principali rivelatori dell'LHC. Dimostrare o eliminare le anomalie del mesone B sarà uno sforzo erculeo, ma i ricercatori hanno tutti gli strumenti di cui hanno bisogno. "Con quattro esperimenti che possono essere integrati", ha detto Zupan, "il futuro è luminoso".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/growing-anomalies-at-the-large-hadron-collider-hint-at-new-particles-20200526/ in data Tue, 26 May 2020 14:20:21 +0000.