Test of lepton flavor universality with and decays at Belle II
Utilizzando 387 milioni di decadimenti raccolti dal rivelatore Belle II, questo studio presenta la determinazione più precisa tramite hadronic-tagging dei rapporti di universalità del sapore leptonico e , fornendo risultati coerenti sia con le previsioni del Modello Standard che con le misurazioni precedenti.
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Nel mondo subatomico, la natura sembra seguire una rigorosa regola di uguaglianza nota come universalità del sapore leptonico. Questo principio suggerisce che le forze fondamentali dell'universo trattino tre tipi specifici di particelle — elettroni, muoni e particelle tau — esattamente allo stesso modo, differendo solo per la loro massa. Immaginate tre corridori di pesi diversi che competono in una gara dove la resistenza del vento è identica per tutti; se il vento rappresenta la forza fondamentale, la regola afferma che il vento dovrebbe spingere ogni corridore con la stessa forza rispetto alla sua massa, indipendentemente da chi sia. Per decenni, i fisici hanno testato questa regola, e questa ha retto in quasi ogni esperimento. Tuttavia, un persistente accenno di problemi è emerso nel decadimento di particelle chiamate mesoni B. Quando queste particelle si rompono, a volte producono una particella tau invece di un elettrone o un muone più leggero. Le prime misurazioni suggerivano che ciò accadesse più spesso di quanto previsto dalle regole standard della fisica, lasciando intendere che la particella tau potesse ricevere una spinta speciale da una forza nascosta o da una nuova particella che le teorie attuali non tengono in conto.
Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore Belle II al collisore SuperKEKB in Giappone ha ora esaminato con uno sguardo fresco e altamente preciso questo enigma. Hanno analizzato i dati di quasi quattrocento milioni di collisioni tra elettroni e positroni, che hanno creato un vasto numero di mesoni B. Per isolare gli eventi specifici di cui avevano bisogno, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata tagging adronico. Questo comportava la ricostruzione completa di uno dei due mesoni B prodotti in una collisione, tracciando tutti i suoi prodotti di decadimento in una complessa pioggia di altre particelle. Una volta identificata questa particella "tag", i ricercatori sapevano esattamente cosa dovesse essere l'altro mesone B nell'evento, permettendo loro di concentrarsi sul suo decadimento con grande precisiono. Hanno cercato casi in cui questo secondo mesone B decadeva in un mesone charm e in una particella tau o in un leptone più leggero, producendo anche particelle invisibili chiamate neutrini che trasportano via l'energia senza lasciare traccia nel rivelatore.
La sfida in questo esperimento era che i neutrini non potevano essere visti direttamente. Inveve, il team ha misurato l'energia che rimaneva nel rivelatore dopo aver tenuto conto di tutte le particelle visibili e ha calcolato la massa dei pezzi mancanti. Studiando i modelli di questa energia e massa mancanti attraverso migliaia di eventi, sono riusciti a distinguere tra i decadimenti che coinvolgono la pesante particella tau e quelli che coinvolgono gli elettroni o i muoni più leggeri. L'analisi ha rivelato che il rapporto tra i decadimenti che producono particelle tau e quelli che producono leptoni più leggeri era coerente con le previsioni del modello standard della fisica. Nello specifico, hanno misurato il rapporto per i decadimenti che coinvolgono un mesone D* pari a 0,242, con un piccolo margine di errore, e il rapporto per i decadimenti che coinvolgono un mesone D pari a 0,439. Questi numeri si allineano strettamente con quanto previsto dal modello standard, suggerendo che i primi accenni di una violazione potrebbero essere stati dovuti a fluttuazioni statistiche o incertezze nelle misurazioni precedenti, piuttosto che alla scoperta di una nuova fisica.
Questo risultato è significativo perché rappresenta la determinazione più precisa di questi rapporti utilizzando il metodo del tagging adronico ad oggi. Sebbene le misurazioni siano coerenti con il modello standard, esse non escludono completamente la possibilità di una nuova fisica, poiché le incertezze sono ancora abbastanza grandi da consentire una deviazione. I ricercatori hanno scoperto che i loro risultati concordano con il modello standard entro un intervallo di meno di due deviazioni standard per il rapporto del mesone D e ancora più vicino per il rapporto del mesone D*. Combinati con altre misurazioni provenienti da tutto il mondo, i dati mostrano ancora una leggera tensione con il modello standard, ma questa nuova, più precisa misurazione da Belle II aiuta a chiarire il quadro. Suggerisce che, se la nuova fisica esiste, è nascosta in un modo più sottile di quanto precedentemente pensato, o che le discrepanze precedenti erano effettivamente solo rumore statistico. Il lavoro è una testimonianza del potere della misurazione precisa nella fisica delle particelle, dove anche una conferma delle regole note aiuta a restringere la ricerca dell'ignoto.
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