First measurements of the branching fractions of and
Utilizzando i dati raccolti dal rivelatore BESIII, questo articolo riporta la prima osservazione dei decadimenti hadronici e , misurando le loro frazioni di ramificazione e riscontrando che il loro rapporto è coerente con la regola del 12% pur non rivelando stati intermedi o esaltazioni di soglia significativi.
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Nel mondo subatomico, la materia è costruita da una manciata di particelle fondamentali che interagiscono attraverso forze molto più complesse della gravità o del magnetismo. Tra queste, una famiglia di particelle chiamate charmonia funge da laboratorio unico per i fisici. Queste sono particelle pesanti e a breve durata di vita, composte da un quark charm e dal suo gemello di antimateria, legate insieme così strettamente da servire come punto di partenza pulito per studiare come la forza nucleare forte — la colla che tiene insieme i nuclei atomici — si comporti quando passa da un regime matematico prevedibile a uno caotico e disordinato. Quando queste particelle pesanti decadono, si frammentano in particelle più leggere e comuni, come protoni, neutroni e i loro cugini, gli iperoni. Osservando esattamente quanto spesso una specifica particella pesante si frammenta in un particolare insieme di frammenti più leggeri, gli scienziati possono testare una regola empirica di lunga data. Questa regola suggerisce che, se una versione più pesante della particella decade in una certa combinazione di frammenti, dovrebbe farlo a un tasso che è circa il dodici per cento del tasso del suo fratello più leggero. Per decenni, questa "regola del dodici per cento" è stata valida per molti decadimenti, ma è stata anche famosamente infranta in alcuni casi specifici, lasciando i fisici perplessi su quali forze nascoste o nuove particelle possano interferire.
Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore BESIII al collisore BEPCII in Cina ha ora aggiunto un nuovo capitolo a questa storia osservando un raro decadimento che non era mai stato visto prima. Hanno esaminato miliardi di collisioni coinvolgenti due specifiche particelle pesanti, note come J/psi e psi(3686), che sono essenzialmente il fratello più leggero e quello più pesante nella famiglia dei charmonia. Nel loro enorme dataset, contenente oltre dieci miliardi di eventi J/psi e più di due miliardi di eventi psi(3686), hanno cercato un esito molto specifico: la creazione simultanea di un mesone eta neutro e di una coppia di sigma iperoni neutri, uno composto di materia e l'altro di antimateria. Questo è un processo difficile da catturare perché le particelle coinvolte sono instabili e decadono quasi istantaneamente in altre cose, richiedendo ai ricercatori di ricostruire l'evento originale partendo da una scia di particelle secondarie come fotoni, protoni e pioni. Filtrando attentamente il rumore delle collisioni di fondo e ricostruendo i percorsi di questi frammenti fugaci, il team ha identificato con successo la prima chiara evidenza di questo specifico decadimento che avviene in natura.
I ricercatori hanno scoperto che la particella più leggera J/psi produce questo specifico trio di frammenti in circa sette e mezzo casi ogni cento mila decadimenti. La particella più pesante psi(3686) fa lo stesso, ma molto più raramente, apparendo in circa uno su cento mila decadimenti. Confrontando questi due tassi, hanno calcolato un rapporto di circa il diciassette per cento. Questo risultato è significativo perché si allinea strettamente con la regola prevista del dodici per cento, differendo solo di un piccolo margine che rientra nel range delle normali fluttuazioni statistiche. Questo ritrovamento suggerisce che, a differenza di altri decadimenti rari che hanno sfidato le aspettative, questo particolare processo segue i modelli standard previsti dalla teoria, offrendo un raro momento di coerenza in un campo spesso definito dalle sorprese.
Oltre a contare semplicemente gli eventi, il team ha anche esaminato attentamente l'energia e la massa delle particelle coinvolte per vedere se vi fossero strutture nascoste latenti nei dati. A volte, quando le particelle decadono, passano attraverso uno stato intermedio breve in cui formano una versione temporanea ed eccitata di una particella nota prima di frammentarsi completamente. I ricercatori hanno scansionato i dati alla ricerca di segni di questi stati intermedi o di improvvisi picchi nel numero di eventi a specifici livelli di energia, che potrebbero indicare la presenza di nuove particelle non ancora scoperte. Non hanno trovato nulla del genere. I dati hanno mostrato una distribuzione fluida senza anomalie o picchi inaspettati, indicando che il decadimento avviene direttamente senza formare alcun intermedio esotico a breve durata di vita. Questa assenza di strutture nascoste è di per sé un risultato importante, poiché aiuta a escludere diversi modelli teorici che prevedevano la presenza di tali caratteristiche.
La misurazione è stata resa possibile dall'enorme volume di dati raccolti e dalla precisione del rivelatore, che può tracciare i percorsi delle particelle cariche e misurare l'energia delle particelle di luce con estrema accuratezza. Il team ha dovuto tenere conto di molte potenziali fonti di errore, dall'efficienza dei loro rivelatori ai modelli matematici utilizzati per simulare le collisioni, assicurando che i loro numeri finali fossero robusti. Hanno confermato che la differenza tra i tassi osservati e la previsione teorica non è abbastanza grande da dichiarare una violazione della regola, né è abbastanza grande da suggerire una nuova scoperta. Inveve, il lavoro fornisce un dato solido e misurato che si inserisce perfettamente nell'esistente quadro della fisica delle particelle. Confermando che questo specifico decadimento segue il modello previsto e non mostrando segni di interferenze esotiche, lo studio aiuta a raffinare la nostra comprensione di come opera la forza forte nella transizione tra l'ordine e il caos, aggiungendo un pezzo affidabile al complesso puzzle del mondo subatomico.
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