Search for the lepton-flavor-violating decay $\tau^{\pm} \to \mu^{\pm} \gamma$ at Belle II

Nell'universo delle particelle subatomiche, esiste un insieme di regole noto come Modello Standard che descrive come si comporta la materia. Una di queste regole è che una particella pesante chiamata tau, che è un tipo di leptone, non dovrebbe mai trasformarsi spontaneamente in una particella più leggera chiamata muone emettendo un lampo di luce. Secondo la nostra attuale comprensione, questa specifica trasformazione è così incredibilmente rara che è di fatto impossibile vedere che accada. Tuttavia, molti fisici ritengono che il Modello Standard sia incompleto e che esistano forze nascoste o nuove particelle in attesa di essere scoperte. Se una particella tau venisse mai osservata mentre si trasforma in un muone e un fotone, sarebbe un segno chiaro che queste nuove leggi della fisica esistono, aprendo una finestra su una realtà più profonda di quella che conosciamo attualmente.

Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore Belle II presso il collisore SuperKEKB in Giappone ha condotto una ricerca massiccia per questo evento proibito. Hanno analizzato una vasta quantità di dati raccolti in un periodo di anni, che rappresentano miliardi di collisioni di particelle. Per trovare l'ago nel pagliaio, il team ha costruito un sofisticato sistema informatico addestrato a riconoscere la firma unica di un decadimento di un tau in un muone e un fotone, ignorando i milioni di altre collisioni che sembrano simili ma sono solo ordinario rumore di fondo. Dopo aver setacciato i dati con estrema cura, non hanno trovato alcuna prova che questo decadimento proibito sia mai avvenuto. Invece, hanno calcolato il limite più stretto finora noto su quanto spesso esso possa possibilmente accadere, confermando che, se avviene, è ancora più raro di quanto precedentemente pensato.

L'esperimento si è svolto in una struttura dove fasci di elettroni e positroni si scontrano tra loro quasi alla velocità della luce. Quando queste particelle collidono, possono creare brevemente coppie di particelle tau, che sono cugine pesanti dell'elettrone. Queste particelle tau vivono solo per una frazione infinitesimale di secondo prima di decadere in altre particelle più leggere. I ricercatori stavano cercando un esito molto specifico: un tau che si trasforma in un muone e in un singolo fotone di luce, mentre la sua particella tau partner decade in un modo diverso e noto. La sfida è che questo evento specifico si prevede che accada così raramente da essere facilmente sovrastato da altri processi che producono particelle dall'aspetto simile. Per esempio, una particella tau potrebbe decadere in un muone e un neutrino, e un fotone erratico proveniente dall'ambiente di collisione potrebbe essere accidentalmente registrato, imitando il segnale che gli scienziati stavano cacciando.

Per separare il segnale reale dal rumore, il team ha utilizzato uno strumento di apprendimento automatico chiamato albero decisionale potenziato dal gradiente (gradient-boosted decision tree). Questo strumento agisce come un filtro altamente esperto, addestrato su milioni di collisioni simulate per imparare le sottili differenze tra il rumore di fondo e l'evento raro che volevano trovare. Esaminava molte caratteristiche di ogni collisione, come la direzione in cui le particelle volavano, la loro energia e come erano disposte nello spazio. Applicando questo filtro, il team è stato in grado di rifiutare più del 99 percento degli eventi di fondo pur mantenendo quasi il 6 percento degli eventi di segnale potenziali. Questo livello di precisione ha permesso loro di esaminare un campione di dati più piccolo e pulito, dove un segnale sarebbe stato molto più facile da individuare, qualora esistesse.

I ricercatori hanno esaminato un campione di dati corrispondente a 428 unità di intensità di collisione, un volume di dati che ha permesso di osservare 393 milioni di coppie di particelle tau. Si sono concentrati la ricerca in una regione specifica di energia e momento dove il segnale apparirebbe se fosse reale. Dopo l'unblinding dei dati, ovvero dopo aver finalmente guardato i risultati che avevano protetto dai bias, hanno trovato otto eventi nell'area target. Tuttavia, confrontando questo numero con quanto previsto dal solo rumore di fondo, il risultato è risultato coerente con il caso casuale. I processi di fondo, ben compresi ma disordinati, dovevano produrre circa sei eventi in quello stesso punto, e gli otto che hanno visto rientravano comodamente nell'intervallo di una normale fluttuazione statistica.

Poiché non è emerso alcun segnale chiaro, il team non ha potuto rivendicare la scoperta del decadimento. Inve invece, hanno utilizzato i loro dati per stabilire un nuovo limite superiore su quanto frequentemente questo evento possa possibilmente accadere. Hanno calcolato che la probabilità che una particella tau si trasformi in un muone e un fotone è inferiore a 9,5 su 100 milioni di tentativi, con un livello di confidenza del 90 percento. Ciò significa che, se il decadimento avviene, è ancora più elusivo del precedente miglior limite stabilito dal precedente esperimento Belle. Il nuovo limite è un miglioramento significativo perché il team ha raggiunto un'efficienza molto più alta nel rilevare il segnale e una capacità molto migliore di rifiutare il fondo, grazie ai loro avanzati metodi di selezione.

Questo risultato rafforza l'attuale Modello Standard, che prevede che questo decadimento non debba avvenire a un tasso rilevabile. Sebbene la ricerca non abbia trovato la nuova fisica che alcuni teorici speravano di trovare, essa fornisce un parametro cruciale per il futuro. Spingendo i limiti di quanto raro possa essere questo evento, i ricercatori hanno ristretto lo spazio di ricerca per qualsiasi nuova teoria che possa spiegare i segreti più profondi dell'universo. Il lavoro dimostra anche la potenza del rivelatore Belle II e la sua capacità di gestire dati complessi con alta precisione, ponendo le basi per ricerche ancora più sensibili man mano che l'esperimento raccoglie nuovi dati negli anni a venire. L'assenza di una scoperta è, di per sé, un'informazione potente, che ci dice che le regole del mondo subatomico rimangono ostinatamente coerenti con la nostra attuale comprensione, almeno per questa particolare trasformazione.