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LHCb, transizioni di quark modificate da una ‘nuova’ fisica?

A pochi giorni dai risultati sul pentaquark (post), i fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno presentato alla conferenza internazionale della European Physical Society (EPS) in corso a Vienna (post), i risultati di una nuova misura di elevata precisione effettuata sui decadimenti di barioni che contengono il quark-bottom. Lo studio contribuisce a chiarire il quadro sperimentale per la possibilità dell’esistenza di “nuova fisica” nell’interazione elettrodebole. I risultati su Nature Physics.

Questo risultato è stato ottenuto studiando il decadimento della particella barionica chiamata Lambda-b (Λb) che decade in un protone, un muone e un antineutrino muonico. A livello di quark, in questo processo un quark-bottom della particella Λb si trasforma in un quark-up dando origine a un protone, emettendo nel contempo un bosone W che decade in un muone e nel suo antineutrino. Questo tipo di misura viene detta “esclusiva”, perché considera solamente un preciso tipo di decadimento. Il parametro misurato in questo articolo, chiamato “Vub”, descrive la probabilità di un quark-bottom di trasformarsi in un quark-up. Questo parametro fa parte della matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) che descrive tutti i possibili “mescolamenti” tra i quark. Poiché il modello standard non è in grado di predire il valore assoluto dei parametri della matrice CKM ma, più semplicemente, relazioni di consistenza alle quali questi devono soddisfare, accurate misure sperimentali di vari processi, che coinvolgono le differenti tipologie di quark, sono di estrema importanza per comprendere se il meccanismo CKM sia l’effettiva chiave di interpretazione di tutti i fenomeni di mescolamento tra i quark nel mondo subatomico. Qualora si riscontrasse un’inconsistenza tra i vari elementi della matrice, ciò rappresenterebbe un’indicazione dell’esistenza di una “nuova fisica” oltre la teoria che oggi conosciamo. Il risultato pubblicato dai fisici di LHCb non è in accordo con le misure “inclusive” di questo parametro pubblicate in letteratura.  In queste misure inclusive “Vub” viene ricavato studiando tutti i possibili decadimenti di mesoni B nei quali un quark-bottom diventa un quark-up, ma senza considerare uno stato finale in particolare. Il valore di “Vub” da misure inclusive non è compatibile, entro le incertezze sperimentali, con quanto previsto dal modello standard, e questo può essere interpretato con la necessità di correggere il modello standard introducendo una “nuova fisica”.

L’immagine mostra due collisioni simultanee protone-protone nel rivelatore LHCb illustrate dalle ellissi color viola. Il barione Λb0 viene prodotto nella parte destra della collisione e viaggia fino ad una distanza di 1cm finchè decade in un protone (arancione), un muone (viola) e in un neutrino invisibile. Credit: LHCb collaboration

Questa misura di “Vub” fatta da LHCb, in perfetto accordo con le misure esclusive precedentemente realizzate dallo stesso LHCb e dagli esperimenti BaBar e Belle, è invece perfettamente consistente con il modello standard così come lo conosciamo, contribuendo così a dissipare i dubbi sulla possibile esistenza di nuovi aspetti dell’interazione elettrodebole. La discordanza tra misure inclusive ed esclusive di “Vub” resta, però, al momento un problema aperto che continuerà ad essere indagato nei prossimi anni, sia a livello sperimentale sia teorico. Il risultato è il primo di questo tipo ad essere stato ottenuto da un esperimento che utilizza collisioni tra adroni, come LHC, come anche il primo che si ottiene studiando il decadimento di un barione contenente un quark-bottom. Infine, la precisione richiesta per questo tipo di misura è stata ottenuta grazie alle ottime prestazioni di LHCb e di LHC.

INFN: DAL MESCOLAMENTO DEI QUARK UN LIMITE ALLA NUOVA FISICA
LHCb: Is a b to a u quark transition modified by a new particle?
Nature Physics: Determination of the quark coupling strength |Vub| using baryonic decays
arXiv: Determination of the quark coupling strength |Vub| using baryonic decays