La ‘nuova’ fisica che non c’è

Nonostante il segnale a 125 GeV, associato al bosone di Higgs, sia apparso ad un livello più significativo nei dati del Run-2, tuttavia alla 38° Conferenza Internazionale della Fisica delle Alte Energie, che si è appena conclusa a Chicago, non è emerso alcun risultato che possa fornire indizi di una ‘nuova’ fisica. Gli scienziati hanno presentato oltre un centinaio di risultati che si riferiscono agli ultimi esperimenti realizzati al Large Hadron Collider (LHC) nel 2015. Tra questi, anche una prima serie di dati ottenuti quest’anno al nuovo livello di energia di 13 TeV. In breve, i fisici che lavorano agli esperimenti ATLAS e CMS escludono il segnale a 750 GeV, considerato una fluttuaziona statistica, mentre non esistono tracce di gluini, ipotetiche particelle previste dalla supersimmetria, fino a 1,9 TeV. Dunque, sembra proprio che il modello standard resista ad ogni tentativo di falsificazione.

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Violazione delle leggi fisiche fondamentali

Perchè l’Universo è dominato dalla materia? È una delle domande ancora aperte a cui gli scienziati stanno tentando di dare una risposta, un problema altresì noto come asimmetria barionica che è anche uno dei motivi per cui si spiega la nostra esistenza. La risposta è strettamente connessa alla violazione delle leggi di conservazione della fisica delle particelle, la cui storia, ricca di tanti episodi, risale al 1956.

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.

LHCb rivela il pentaquark

La figura illustra due possibili configurazioni di quark che generano una particella esotica chiamata pentaquark. A sinistra: i cinque quark potrebbero essere confinati fortemente. A destra: i quark potrebbero essere assemblati in un mesone (composto di 1 quark e di 1 antiquark) e in un barione (composto da 3 quark), legati debolmente. Credit: Daniel Dominguez

LHCb, uno dei quattro grandi esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), il superacceleratore del CERN a Ginevra, ha riportato la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark. I risultati di questo studio sono stati sottomessi per la pubblicazione alla rivista Physical Review Letters.

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.

L’esperimento BaBar conferma l’asimmetria del tempo quantistico

Sappiamo tutti che il tempo procede in avanti e una prova di questo possiamo percepirla se guardiamo un film e poi lo rivediamo riavvolgendo la pellicola: gli effetti sono decisamente differenti. Ma se ci mettiamo dal punto di vista di una singola particella, lo scorrere del tempo appare lo stesso in entrambe le direzioni. Inoltre, se osservassimo ad esempio un filmato relativo all’interazione di due particelle che si allontanano l’una dall’altra esso apparirebbe diverso se lo guardassimo al contrario: questo concetto è noto come simmetria per inversione temporale (time reversal symmetry).

Oggi, l’esperimento BaBar presso il Department of Energy’s (DOE) dello SLAC National Accelerator Laboratory ha realizzato la prima osservazione diretta di una eccezione a questa regola a lungo teorizzata. Infatti, dopo aver analizzato una grande quantità di dati raccolti durante 10 anni di esperimenti sulla collisione delle particelle, i ricercatori hanno trovato che alcune di esse si scambiano molto più frequentemente in un modo rispetto ad un altro, una chiara evidenza di violazione della simmetria per inversione temporale e, allo stesso tempo, una conferma che certi processi fisici che avvengo a livello subatomico seguono una direzione privilegiata del tempo. I risultati sono alquanto robusti e hanno un livello di confidenza impressionante, pari cioè a 14-sigma, decisamente ben al di là di quanto richiesto per affermare che si tratti di una scoperta. “E’ stato molto eccitante realizzare una analisi dati tale da permetterci di osservare direttamente e in maniera non ambigua la natura asimmetrica del tempo”  spiega Fernando Martínez-Vidal, un professore di fisica dell’Università di Valencia che ha guidato l’analisi dei dati. L’esperimento BaBar, che ha raccolto dati da SLAC dal 1999 al 2008, è stato concepito per studiare le sottili differenze relative al comportamento della materia e dell’antimateria al fine di rispondere ad una delle grandi domande: perché l’Universo è fatto di materia? I fisici che lavorano a BaBar hanno già trovato che i mesoni B e B-barrato hanno, di fatto, un comportamento diverso e tale da violare la cosiddetta simmetria CP, che incorpora le simmetrie relative allo scambio della carica elettrica (positiva e negativa) e della parità (che può essere pensata come nel concetto di sinistrorsa e destrorsa). La simmetria CP è poi connessa con la simmetria ‘time reversal’ attraverso il teorema CPT (carica-parità-tempo) che stabilisce il fatto che per ogni particella le tre simmetrie devono bilanciarsi. Se una delle simmetrie viene violata, allora sarà violata almeno una delle altre due. I dati dell’esperimento BaBar, avendo già dimostrato la violazione della simmetria CP, hanno rappresentato un valido strumento d’indagine per studiare eventuali violazioni della simmetria per inversione temporale che serve per verificare il teorema CPT.

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[Press release: BaBar Experiment Confirms Time Asymmetry]

[Abstract: Observation of Time-Reversal Violation in the B0 Meson System]

LHCb, evidenze di un raro processo di decadimento B

Durante il simposio Hadron Collider Physics tenutosi di recente a Kyoto, i fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno presentato i risultati di un decadimento B molto raro, il più raro mai osservato. Questi dati limitano ulteriormente quei processi fisici in cui gli scienziati possono ancora cercare indizi dell’esistenza della supersimmetria.

I processi di decadimento delle particelle elementari ci forniscono le informazioni sulle proprietà e il funzionamento dei fenomeni fisici che avvengono in natura. Spesso, però, alcuni decadimenti sono rari, sono molto difficili da osservare e sono quelli in cui si potrebbe rivelare la presenza di nuova fisica. Questo è il caso di alcuni processi di decadimento della particella B_S⁰, una particella costituita da un antiquark e un quark strange, e in particolare B_S⁰  → μ⁺ μ^– il cui tasso può essere calcolato con precisione secondo le previsioni del Modello Standard. Eventuali deviazioni dai valori attesi potrebbero indicare un segnale dell’esistenza di nuove particelle, per esempio quelle della supersimmetria. Dopo aver analizzato una parte dei dati raccolti nel 2012, insieme a quelli a partire dal 2011, i fisici che lavorano agli esperimenti presso il rivelatore LHCb hanno presentato per la prima volta i risultati di una notevole quantità di decadimenti  B_S⁰ con un livello di confidenza pari a 3,5 σ. “I teorici hanno calcolato che, secondo il Modello Standard, questo decadimento dovrebbe avvenire circa 3 volte ogni miliardo di decadimenti totali della particella“, spiega Pierluigi Campana, portavoce di LHCb. “Questa prima misurazione dà un valore di (3,2 ^1,5_-1,2) x 10^-9, che è in buon accordo con le previsioni“. Questo risultato ci permette di porre nuovi limiti verso la ricerca di particelle supersimmetriche. “Questo canale è un indicatore molto preciso degli effetti relativi all’esistenza di una nuova fisica. La supersimmetria non è esclusa dalla nostra misurazione ma è fortemente limitata“, continua Campana. “Questa misura è una sorta di controllo del Modello Standard ed oggi appare più ‘sano’ di quanto non fosse in precedenza.” Ora, il testimone passerà alla comunità dei fisici e dei teorici in particolare. “Questi risultati devono essere pienamente integrati nei modelli teorici“, spiega ancora Campana. Insomma, i fisici vogliono continuare ad analizzare i dati per migliorare l’accuratezza di questa misura e di altre da cui potrebbero emergere gli indizi di una nuova fisica.

[Press release: First evidence for the B⁰_s →μμ decay]

arXiv: First evidence for the decay Bs -> mu+ mu-

Talk presentato alla conferenza di Kyoto

Perchè l’Universo è composto di materia?

Il gruppo DZero ha rivelato un nuovo modo con cui le particelle elementari spezzano in natura la simmetria materia-antimateria. Questo tipo di violazione CP è in disaccordo con le previsioni del Modello Standard. I risultati potrebbero spiegare come mai l’Universo è fatto di materia e non di antimateria.
Credit: DZero collaboration

Gli scienziati del progetto DZero presso il Dipartimento di Energia del Fermi National Accelerator Laboratory hanno annunciato di aver trovato una significativa evidenza dell’asimmetria materia-antimateria nel comportamento delle particelle elementari che contengono i bottom-quark rispetto all’attuale modello di riferimento su cui si basa la fisica delle particelle elementari: il cosiddetto Modello Standard.

I risultati del gruppo DZero result si basano sul confronto delle distribuzioni dei muoni che hanno carica positiva e negativa (μ+ and μ-) e che si producono dalle collisioni di alta energia tra protoni e antiprotoni. Se la simmetria materia-antimateria è perfetta ci si aspetta che la distribuzione dei muoni nelle due configurazioni con cui è stato realizzato l’esperimento dia lo stesso risultato. Invece, il gruppo DZero ha trovato una deviazione dell’1% che dimostra l’esistenza dell’asimmetria materia-antimateria.
Credit: Fermilab

I dati indicano una differenza dell’1% tra le coppie di muoni e le coppie antimuoni che si producono durante il decadimento dei mesoni B nelle collisioni di alta energia che vengono realizzati negli esperimenti del Tevatron al Fermilab.

Nonostante i fisici abbiano osservato queste differenze nel comportamento delle particelle, noto come “violazione CP”, esse sono piuttosto piccole per poter spiegare il fatto che la materia di cui è fatto l’Universo domina sull’antimateria e sono consistenti con il Modello Standard delle particelle elementari. Se confermati da altri esperimenti, l’effetto misurato dai ricercatori del progetto DZero potrebbe rappresentare un altro passo verso la comprensione di nuovi fenomeni fisici che ancora non conosciamo. Comunque sia, la probabilità che queste misure siano consistenti con altri effetti noti è inferiore allo 0,1%. Insomma, il mondo è fatto di materia e le antiparticelle si possono produrre solo negli acceleratori, nelle reazioni nucleari o ancora nei raggi cosmici. Cosa è successo all’antimateria? E’ una delle domande fondamentali a cui la fisica del 21° secolo cercherà di rispondere e, si spera, la risposta potrebbe arrivare dai prossimi esperimenti dell’LHC.

Fermilab Pub: Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry