Branching fraction measurements of and anomalous decays
Utilizzando i dati di collisioni $pp$ a 13 TeV dell'esperimento LHCb, questo articolo riporta la prima ricerca sperimentale dei decadimenti di e la misura più precisa ad oggi della frazione di branching di , fornendo al contempo nuovi limiti superiori e misure per diversi altri decadimenti anomali dei mesoni ed .
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Nel profondo del mondo subatomico, particelle note come mesoni agiscono come messaggeri fugaci, trasportando forze tra i blocchi fondamentali costitutivi della materia. Tra questi, i mesoni eta e eta-prime sono particolarmente interessanti perché sono cugini pesanti e instabili dei pioni, e il loro comportamento è governato dalla forza nucleare forte, la colla che tiene insieme i nuclei atomici. I fisici utilizzano da tempo queste particelle per testare i limiti delle loro migliori teorie su come funziona l'universo alle sue scale più piccole. Un enigma specifico riguarda i decadimenti rari, in cui questi mesoni si trasformano in coppie di muoni, versioni più pesanti e instabili degli elettroni. Secondo il modello standard della fisica delle particelle, queste trasformazioni dovrebbero avvenire a un ritmo molto prevedibile, guidate da un sottile effetto quantistico che coinvolge la creazione e la distruzione di fotoni virtuali. Tuttavia, se il tasso effettivo di questi decadimenti differisce dalla previsione, potrebbe segnalare la presenza di nuove particelle o forze invisibili che non sono ancora state scoperte.
Un team di ricercatori che utilizza l'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) ha ora esaminato con una nuova luce questi eventi rari. Analizzando una vasta collezione di dati provenienti da collisioni ad alta velocità di protoni, hanno misurato quanto spesso i mesoni eta decadono in due muoni con una precisione senza precedenti. Hanno anche cercato lo stesso decadimento nel più pesante mesone eta-prime, un processo che non era mai stato osservato prima. Sebbene abbiano trovato un segnale chiaro per il mesone eta, non hanno trovato prove sufficienti per confermare il decadimento dell'eta-prime, stabilendo invece un limite superiore rigoroso a quanto spesso potrebbe verificarsi. Inoltre, il team ha cercato un tipo specifico di decadimento a quattro particelle coinvolgente due pioni e due muoni, trovando un segnale chiaro per la versione eta-prime ma solo un limite superiore per la versione eta. Questi risultati delineano con maggiore precisione il modo in cui queste particelle si comportano, confermando alcune aspettative teoriche e lasciando aperta la porta a future scoperte.
I ricercatori hanno condotto il loro studio utilizzando dati raccolti tra il 2016 e il 2018 presso il rivelatore LHCb, progettato per individuare particelle che contengono quark pesanti. Si sono concentrati su collisioni in cui l'energia era equivalente a 13 trilioni di elettronvolt, una scala sufficientemente alta da produrre vasti numeri di mesoni charm. Questi mesoni charm sono cruciali per l'esperimento perché decadono frequentemente nei mesoni eta e eta-prime che gli scienziati volevano studiare. Tracciando i detriti di queste collisioni, il team è stato in grado di ricostruire i percorsi delle particelle risultanti e identificare quando un mesone eta o eta-prime si era trasformato nelle specifiche combinazioni di muoni e pioni che stavano cercando. Per garantire l'accuratezza delle loro misurazioni, hanno confrontato questi eventi rari con un processo di riferimento ben compreso che coinvolge una particella diversa chiamata mesone phi, che decade anch'esso in muoni. Questo confronto ha permesso di annullare molte delle incertezze relative al funzionamento del rivelatore.
L'analisi ha rivelato un segnale chiaro per il decadimento del mesone eta in due muoni. Il team ha calcolato che questo avviene in circa 5,3 casi ogni milione di mesoni eta. Questa misurazione è la più precisa mai registrata per questo specifico processo, migliorando l'accuratezza dei risultati precedenti di oltre la metà. La precisione di questo numero è significativa perché consente ai teorici di testare i loro calcoli sulla forza forte con maggiore fiducia. Se le previsioni teoriche per la forza dell'interazione tra il mesone e i fotoni non corrispondono a questa nuova e più nitida misurazione, ciò potrebbe indicare una falla nella comprensione attuale della fisica delle particelle. Il risultato rappresenta una solida conferma del modello standard per questo particolare canale di decadimento, con l'incertezza ridotta a pochi percentuali.
Al contrario, la ricerca del decadimento del mesone eta-prime in due muoni non ha prodotto alcun segnale definitivo. I ricercatori hanno esaminato i dati e hanno scoperto che, se questo decadimento avviene, deve essere estremamente raro, avvenendo meno di 1,9 volte ogni dieci milioni di mesoni eta-prime. Questa è la prima volta che viene stabilito un limite simile per questa particella. La mancanza di un segnale chiaro non significa che il decadimento sia impossibile, ma significa che, se esiste, è molto meno frequente di quanto alcune teorie avrebbero potuto suggerire. Il team ha anche cercato un decadimento più complesso in cui l'eta-prime si frammenta in due pioni e due muoni; in questo caso, hanno trovato un segnale forte, misurando il tasso con cui questo avviene a circa 2,7 volte ogni centomila mesoni eta-prime. Questa è la prima volta che questo specifico decadimento a quattro particelle viene misurato per l'eta-prime, fornendo nuovi dati su come queste particelle interagiscono con i pioni.
Lo studio si è rivolto anche al mesone eta nel modo di decadimento a quattro particelle, cercando la stessa combinazione di due poni e due muoni. In questo caso, non è stato trovato alcun segnale. I ricercatori hanno determinato che, se questo decadimento avviene, deve accadere meno di 5,4 volte ogni dieci milioni di mesoni eta. Questo risultato è coerente con le previsioni teoriche che suggeriscono che il decadimento sia fortemente soppresso a causa della massa inferiore del mesone eta rispetto all'eta-prime. La differenza di massa limita lo spazio disponibile per il movimento dei prodotti di decadimento, rendendo il processo molto meno probabile per la particella più leggera. Stabilendo questi limiti superiori, il team ha efficacemente escluso la possibilità che questo decadimento avvenga a un tasso che sarebbe stato facilmente rilevabile con i loro attuali dati.
Oltre a testare il modello standard, i ricercatori hanno anche utilizzato i loro dati per cercare segni di nuova fisica, guardando specificamente a particelle ipotetiche come i fotoni oscuri o le particelle simili agli assioni che potrebbero mediare questi decadimenti. Hanno scansionato i dati alla ricerca di qualsiasi schema inaspettato che suggerisse la creazione di una particella invisibile che poi decade in muoni. Dopo una ricerca approfondita attraverso una gamma di possibili masse per queste particelle ipotetiche, non hanno trovato prove di tale nuova fisica. Hanno stabilito nuovi limiti più severi su quanto spesso queste particelle esotiche potrebbero essere coinvolte nei decadimenti, restringendo efficacemento lo spazio di ricerca per futuri esperimenti. L'assenza di tali segnali rafforza l'attuale visione secondo cui il modello standard regge bene in questo regime, sebbene la porta rimanga aperta per ricerche più sensibili in futuro.
La precisione di queste misurazioni è limitata non dalla quantità di dati raccolti, ma dall'incertezza nelle proprietà note della particella di riferimento utilizzata per il confronto. Il team si è basato sul tasso di decadimento noto del mesone phi in muoni, che comporta un piccolo margine di errore. Finché questo valore di riferimento non sarà misurato con maggiore precisione, l'accuratezza di questi nuovi risultati rimarrà vincolata al suo livello attuale. Nonostante ciò, il lavoro rappresenta un passo avanti fondamentale nella comprensione del comportamento dei mesoni eta e eta-prime. Fornendo la misurazione più precisa del decadimento eta-in-muoni e le prime misurazioni e limiti per i canali dell'eta-prime, la collaborazione LHCb ha fornito una mappa più chiara del paesaggio subatomico. Questi risultati serviranno come punto di riferimento per i teorici che perfezionano i loro modelli e per gli sperimentali che pianificano la prossima generazione di ricerche verso l'ignoto.
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