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LHCb, l’anomalia di un decadimento particellare

I fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno registrato inaspettatamente una anomalia relativa al decadimento di alcune particelle subatomiche. Oggi, un gruppo di fisici guidati da Benjamin Grinstein, un professore di fisica all’University of California, San Diego, hanno riconsiderato la matematica che descrive le previsioni del modello standard. I loro risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.

La lettera “b” posta nel nome del rivelatore indica il quark-beauty o quark-bottom, una delle particelle fondamentali della materia. Coppie di quark, cioè un quark-beauty più un altro dei diversi tipi di quark noti, formano un mesone-beauty o mesone B. I mesoni sono instabili e decadono rapidamente in particelle elementari. Un tipo di decadimento produce o una coppia elettrone-positrone, oppure una coppia muone-antimuone. Il modello standard delle particelle prevede che entrambe le combinazioni avvengano con un tasso eguale. Ma gli esperimenti LHCb hanno registrato un rapporto di decadimento muone/elettrone spostato verso un valore più basso rispetto a quello atteso, ossia di una quantità pari al 25%. Le anomalie di questo tipo suggeriscono una “nuova fisica” in termini dell’esistenza di altre forme di interazioni fondamentali che devono essere ancora rivelate. Ora, il modello standard descrive le particelle e le loro interazioni fondamentali, incluso l’elettromagnetismo e la forza debole, quest’ultima responsabile del decadimento radioattivo. In circostanze ordinarie, le forza debole e quella elettromagnetica appaiono distinte, ma in circostante straordinarie, come le elevate energie prodotte dagli acceleratori o quelle che caratterizzavano l’Universo subito dopo il Big Bang, si ritiene siano unificate in quella che i fisici chiamano forza elettrodebole.

Abbiamo notato che i parametri utilizzati da altri colleghi nel caso delle particelle meno massicce, come i mesoni, non tenevano conto di certi vincoli che sono consistenti con alcune estensioni del modello standard”, spiega Grinstein. “Se si tiene conto di ciò, allora si trovano sorprendentemente molte restrizioni. Il pensiero era che a energie più basse, si possono trascurare questi vincoli dalla teoria elettrodebole perché non li vediamo. Ma ciò non è vero”. Secondo il gruppo di Grinstein, quando due forze vengono considerate come una sola, alcuni termini matematici che descrivono le interazioni, denominati parametri, non sono ammessi e possono essere scartati. Altri, invece, sono correlati e possono essere inclusi in singoli termini, riducendo così il numero totale di parametri e semplificando il modello. La descrizione introdotta dai ricercatori è interamente consistente con la matematica del modello standard. È una sorta di aggiunta che tiene conto di minime deviazioni per le particelle meno massicce, come nel caso dei processi di decadimento dei mesoni beauty, strange e charm. La descrizione matematica così semplificata porta a previsioni specifiche su ciò che i fisici sperimentali dovrebbero osservare. Ad esempio, essa vincola i valori dello spin delle particelle elementari prodotte da certe interazioni. Questi sono eventi molto rari, circa 1 su 100 milioni di mesoni-beauty decadono in questo modo, nonostante il collisore ne produca miliardi. La teoria quantistica dei campi afferma che le forze, o le interazioni, emergono dallo scambio di particelle. “Questa parametrizzazione ignora lo scambio delle particelle”, dice Grinstein. “Ma rappresenta una potente guida per scoprire nuove particelle elementari. Una volta che è stato ben definito lo scambio tra le particelle, ci si chiede che tipo di particella deve mediarlo e quali sono le condizioni che devono essere soddisfatte”. Se esistono altre particelle, allora dobbiamo ammettere che ci sono sfuggite fino ad ora, forse perché sono così massicce che gli acceleratori non hanno ancora quelle energie tali da produrle.

Insomma, non solo la fisica delle particelle ma anche la cosmologia punta verso la ricerca di una “nuova fisica” per comprendere soprattutto la natura della materia scura, lo ‘scheletro cosmico’ su cui sono distribuite le strutture, e dell’energia scura, quella forza misteriosa che sembra causare l’espansione accelerata dell’Universo.

UC San Diego: Physicists Explain Puzzling Particle Collisions
arXiv: SU(2)×U(1) gauge invariance and the shape of new physics in rare B decays