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LHC, un segnale che fa ‘traballare’ il modello standard

Un segnale interessante rivelato al Large Hadron Collider (LHC) potrebbe rappresentare il crack del modello standard, l’attuale, migliore descrizione del mondo delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. I risultati sono riportati su Physical Review Letters.

LHCb è uno dei quattro principali esperimenti di LHC concepito allo scopo di capire cosa accadde subito dopo il Big Bang che permise alla materia di sopravvivere e di formare le strutture cosmiche che osserviami oggi. Credit: LHCb collaboration

L’analisi dei dati raccolti tra il 2011 e il 2012 al grande collisore adronico suggerisce che durante alcuni particolari decadimenti, i mesoni B, particelle che hanno una vita media breve, creano più frequentemente un maggior numero di tauoni rispetto ai muoni (i cugini più pesanti degli elettroni). Secondo il modello standard, però, se si prendono in considerazione le differenze di massa delle particelle, i decadimenti dovrebbero avvenire esattamente con lo stesso tasso. Tuttavia, la discrepanza presente nei tassi di decadimento, rivelata all’LHCb, uno dei quattro esperimenti principali di LHC, è piccola e non può essere considerata una vera e propria scoperta, dato che l’anomalia potrebbe essere una mera fluttuazione statistica che, a sua volta, potrebbe anche scomparire una volta che verranno raccolti più dati relativi al processo di decadimento dei mesoni B. In termini statistici, la soglia minima che i fisici utilizzano quando si parla di scoperta è 5 sigma: in questo caso, invece, il segnale rivelato da LHCb raggiunge appena i 2,1 sigma. Nonostante ciò, i fisici sono alquanto entusiasti perché la stessa anomalia è stata osservata nei dati di due altri esperimenti: BaBar allo the SLAC National Accelerator Laboratory situato a Menlo Park, in California, riportata nel 2012, e Belle presso l’High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba, Giappone, riportata quest’anno a Maggio. “Il risultato ottenuto da LHCb rappresenta una sorta di ‘gran botto’ rispetto ai primi due”, dice Mitesh Patel dell’ Imperial College London che lavora all’esperimento LHCb. “Una differenza di 2-sigma in un singolo esperimento non è di per sé interessante”, aggiunge Tara Shears, una fisica delle particelle dell’University of Liverpool, UK, che fa parte della LHCb collaboration. “Ma trovarsi di fronte ad una serie di differenze pari a 2-sigma, trovate in diversi tipi di decadimento e rivelate indipendentemente da diversi ricercatori in un altro esperimento, rappresenta davvero un fatto molto interessante”. Lo scorso anno, LHCb ha trovato una simile preferenza (bias), con una significatività di 2,6 sigma, per quanto riguarda decadimenti relativi ad un altro tipo di mesone B questa volta con una preferenza a decadere in elettroni piuttosto che muoni. “Ciò che rende entrambe le misure così interessante è il fatto che essi potrebbero puntare ad una nuova fisica, se i risultati si dimostreranno veri”, dice Shears. Potenzialmente, questi bias potrebbero essere spiegati, ad esempio, ipotizzando l’esistenza di un altro tipo di bosone di Higgs che possiede una carica e che interagisce in maniera differente con le particelle coinvolte nei processi di decadimento. “La supersimmetria, una teoria popolare che tenta di estendere il modello standard, predice l’esistenza di altri bosoni di Higgs e se il segnale è reale questa potrebbe essere una delle tante possibili spiegazioni”, dice Patel. Don Lincoln, un fisico che lavora ad un altro esperimento di LHC chiamato CMS, fa notare che molto probabilmente questi risultati sono il frutto di una fluttuazione statistica oppure potrebbero essere un’incertezza stimata impropriamente nell’esperimento stesso. Però, il fatto che si vede la stessa discrepanza in diverse situazioni dovrebbe richiamare l’attenzione dei fisici. “Si tratta chiaramente di qualcosa che deve essere studiata in dettaglio”, dice Lincoln. Il risultato si basa sui dati raccolti durante il Run 1 di LHC perciò i ricercatori dovranno aspettare almeno un anno per raccogliere una simile quantità di dati dal Run 2, che ha avuto inizio lo scorso 3 Giugno (post). “Nel frattempo, il team di LHCb esaminerà altri decadimenti simili nei dati esistenti per vedere se ci saranno ulteriori bias”, dice Patel. A differenza dei fisici che lavorano all’esperimento LHCb, che tentano di rivelare nuove particelle dalla loro influenza indiretta prodotta sui decadimenti noti, i colleghi che lavorano invece agli esperimenti CMS e ATLAS tentano di rivelarle direttamente. Entrambi quest’ultimi esperimenti hanno osservato dei “bump” non molto significativi approssimativamente all’interno dello stesso intervallo di massa dei loro dati, cioè attorno a 2 TeV, un risultato che potrebbe essere dovuto ai decadimenti di una nuova particella, anche se non è chiaro il fatto che i risultati siano completamente compatibili. Ad ogni modo, nell’ultimo articolo di ATLAS i fisici riportano una significatività del segnale statistico pari a 3,4 sigma.

Insomma, sin dagli anni ’70 gli esperimenti hanno col tempo verificato l’accuratezza del modello standard. Tuttavia, il fatto che la teoria non contempli alcuni fenomeni, come la gravità e la materia scura, ha portato molti fisici a pensare che il modello standard sia di fatto una mera approssimazione di un’altra descrizione più profonda. Secondo Patel, i risultati ottenuti da LHCb sono più convincenti di quelli trovati da altri esperimenti “rivali”, perciò lo stesso scienziato sarebbe felice di vederli emergere come reali man mano che saranno raccolti ulteriori dati. “Il modello standard è rimasto in piedi per molto tempo, perciò è probabile che assisteremo alla sua ‘caduta’ in qualsiasi modo essa si presenterà”, conclude Patel.

Nature: LHC signal hints at cracks in physics' standard model
arXiv: Measurement of the ratio of branching fractions B(B¯¯¯0D+τν¯τ)/B(B¯¯¯0D+μν¯μ)