Revisiting two-body charmed anti-charmed baryonic $B$ decays

Nel mondo subatomico, la materia è costruita da un manipolo di particelle fondamentali che si combinano in modi specifici per formare i protoni e i neutroni all'interno degli atomi. Tra questi mattoni ci sono i quark, che si presentano in diverse "flavors", tra cui il pesante quark charm. Quando un mesone B, una particella pesante, decade, spesso si frammenta in altre particelle, creando talvolta una coppia di barioni charm — particelle composte da tre quark, uno dei quali è un quark charm. Gli scienziati studiano da tempo questi decadimenti per comprendere le forze fondamentali che governano il modo in cui la materia si trasforma. Per decenni, la visione prevalente è stata che un tipo specifico di trasformazione, in cui un quark bottom si trasforma in un quark charm e in un anti-quark charm, fosse il motore dominante di questi eventi. Questo processo è ben compreso ed è stato l'oggetto di molti modelli teorici. Tuttavia, esiste un altro percorso, meno ovvio, in cui il quark bottom si trasforma in un quark up e in un anti-quark up. A causa del modo in cui funzionano le regole di miscelazione fondamentali dell'universo, si pensava che questo secondo percorso fosse così raro in certi tipi di decadimenti da poter essere ignorato in sicurezza.

Uno studio recente del fisico Chun-Khiang Chua rivisita questa ipotesi, chiedendosi se quel percorso ignorato possa in realtà giocare un ruolo molto più grande di quanto precedentemente pensato, in particolare in una specifica classe di decadimenti in cui il numero totale di particelle strane rimane invariato. Il ricercatore ha utilizzato un metodo chiamato analisi dell'ampiezza topologica, che è essenzialmente un modo per mappare tutti i possibili modi in cui queste particelle possono riorganizzarsi durante un decadimento, per includere questo contributo precedentemente trascurato. Aggiornando il quadro matematico per tenere conto sia del percorso dominante che produce charm, sia del percorso soppresso che produce quark up, lo studio rivela che, sebbene il contributo del quark up rimanga minuscolo nei decadimenti che comportano un cambiamento nella strangeness, la sua influenza è drammaticamente amplificata nei decadimenti in cui la strangeness non cambia. In questi casi specifici, l'importanza relativa del percorso del quark up è potenziata di un fattore di circa venti rispetto all'altro tipo di decadimento. Questa amplificazione significa che il contributo del quark up non è più trascurabile; infatti, i dati sperimentali attuali favoriscono leggermente l'idea che questo contributo sia presente e significativo.

Lo studio trova che, quando viene incluso questo contributo del quark up, i tassi previsti per diversi processi di decadimento cambiano sensibilmente. Ad esempio, il modello suggerisce che il decadimento di un mesone B con carica negativa in un barione cascata charm neutro e un barione cascata anti-charm potrebbe avvenire molto più frequentemente di quanto prevedrebbero i modelli che ignorano il percorso del quark up. Allo stesso modo, i tassi per un mesone B neutro che decade in un barione lambda charm e un barione cascata anti-charm, e per un mesone B neutro che decade in un barione cascata charm e un barione cascata anti-charm, sono anch'essi previsti essere significativamente più alti. Queste tre reazioni specifiche sono uniche perché non sono soggette alle stesse cancellazioni interne che sopprimono altri modi di decadimento, rendendole luoghi ideali per cercare l'effetto del quark up. I dati attualmente disponibili per altri modi di decadimento, come il decadimento di un mesone B in un lambda charm e un lambda anti-charm, rimangono coerenti con il nuovo modello, ma la piccola dimensione di quel tasso non esclude la presenza del contributo del quark up; piuttosto, suggerisce che diverse parti del processo si stiano cancellando a vicenda.

Le implicazioni di queste scoperte sono che la comunità scientifica non dovrebbe liquidare il contributo del quark up come un dettaglio minore. Sebbene non alteri i risultati per i decadimenti in cui il numero di particelle strane cambia, offre una spiegazione convincente del perché certi altri decadimenti possano essere più comuni del previsto. Lo studio non sostiene di aver dimostrato definitivamente che questi contributi siano grandi, ma dimostra che i dati sperimentali attuali consentono la loro presenza e ne preferiscono addirittura leggermente uno scenario in cui sono presenti. Ciò apre una nuova strada per gli sperimentali presso strutture come il Large Hadron Collider e Belle II per cercare questi specifici modelli di decadimento. Misurando i tassi di questi tre decadimenti evidenziati, gli scienziati potranno determinare se il percorso del quark up sia effettivamente un protagonista importante nel mondo subatomico dei barioni charm. Se le misurazioni future confermeranno questi tassi più elevati, forniranno un quadro più chiaro della complessa interazione di forze che governano il decadimento delle particelle, raffinando la nostra comprensione delle regole fondamentali che danno forma all'universo.