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Da LHC nuovi limiti per la supersimmetria

CMS e LHCb, due dei quattro imponenti rivelatori del Large Hadron Collider (LHC), il superacceleratore del CERN di Ginevra, cui l’Italia collabora con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sono riusciti a individuare un rarissimo decadimento del mesone B_s, con una significatività statistica di oltre 6 deviazioni standard: fuori dal gergo scientifico, questo significa che sono proprio sicuri di averlo osservato. Il processo era già stato misurato in passato, sia da CMS sia da LHCb, ma con una minore significatività statistica: adesso, grazie a un’analisi combinata dei loro dati, le due collaborazioni sono riuscite a superare, appunto, la soglia delle sei deviazioni standard e a poter affermare con certezza l’osservazione del raro decadimento. I risultati di questo lavoro sono pubblicati sulla prestigiosa rivista internazionale Nature.

Grazie all’analisi combinata dei dati (prodotti nelle collisioni tra protoni nel 2011 all’energia di 7 TeV e nel 2012 a 8 TeV), CMS e LHCb hanno studiato il decadimento del mesone B_s (composto di un antiquark beauty e di un quark strange) in una coppia muone e antimuone, come se fossero un unico esperimento, trattando in maniera rigorosa le correlazioni e le incertezze sistematiche. L’ipotesi che l’osservazione del decadimento sia dovuta ad una erronea valutazione dei processi di fondo è, così, inferiore a circa 1 su un miliardo. Inoltre, CMS e LHCb hanno le prime indicazioni, anche se con precisione minore, di un altro decadimento simile: quello del mesone B_d (in cui al posto del quark strange c’è un quark down) in due muoni. Per ogni miliardo di B_s e ogni 10 miliardi di B_d prodotti a LHC, solo qualcuno decade in una coppia di muoni. Questa accurata combinazione delle misure dei due esperimenti permette di escludere un ampio numero di nuove teorie fisiche che prevedevano un valore superiore a quello del modello standard.

Le due immagini mostrano gli eventi per il decadimento di un candidato B0s in due muoni così come sono stati osservati dai rivelatori LHCb e CMS. Credit: LHCb/CERN e CMS/CERN

I fenomeni osservati si sono dimostrati eventi rarissimi, tanto rari quanto previsto dal modello standard, la teoria che oggi descrive nel modo più efficace le particelle elementari e le loro interazioni. Se esistessero, invece, altre particelle oltre a quelle contemplate dalla nostra attuale teoria, come ad esempio le particelle supersimmetriche, questi decadimenti potrebbero essere, per così dire, facilitati: ci aspetteremmo cioè che più mesoni B decadessero in coppie di muoni. Il fatto che queste osservazioni siano in buon accordo con il modello standard da un lato ci dice che esso si conferma una teoria solida ed efficace, dall’altro, ponendo nuovi e più stringenti limiti su modelli di fisica oltre il modello standard, ci costringe ad allargare i nostri orizzonti della ricerca. In particolare, le nuove misure ci raccontano qualcosa sulla vasta classe di teorie che si possono considerare estensioni del modello standard che prevedono l’esistenza di particelle supersimmetriche, suggerendo che il valore delle masse di queste ultime sia maggiore di quanto finora ipotizzato.

Combinare i dati di due esperimenti molto diversi sia per obiettivi scientifici sia per apparati sperimentali, come lo sono CMS e LHCb, è un lavoro complesso perché implica una condivisione di metodi, strumenti e modelli. La pubblicazione di questi risultati quindi non rappresenta solamente una conquista scientifica ma anche un successo di metodo e di collaborazione.

CERN: CMS and LHCb experiments reveal new rare particle decay
INFN: CMS E LHCB CONFERMANO L’OSSERVAZIONE DI UN EVENTO RARISSIMO
Nature: Observation of the rare Bs0µ+µ decay from the combined analysis of CMS and LHCb data