On the failure of the $12\%$ rule in $J/\psi$ and $\psi(2S)$ decays

Nel mondo subatomico, particelle note come charmonia sono simili ad atomi pesanti e a breve durata di vita, composti da un quark charm e dal suo gemello di antimateria. Queste particelle sono instabili e si frammentano rapidamente in particelle più leggere e comuni. I fisici hanno osservato da tempo due versioni specifiche di queste particelle: una è lo stato fondamentale, una configurazione pesante, mentre l'altra è una versione eccitata, che trasporta più energia e si trova in uno stato di esistenza superiore. Per decenni, una semplice regola empirica ha guidato le aspettative su come queste due versioni decadano. Se lo stato fondamentale si frammenta in un certo insieme di particelle leggere con una specifica frequenza, lo stato eccitato dovrebbe fare lo stesso, ma a un tasso circa del tredici per cento inferiore. Questa aspettativa, nota come la regola del dodici per cento, si basa sull'idea che la struttura interna dello stato eccitato sia solo una versione più grande e più energetica dello stato fondamentale, condividendo le stesse abitudini di decadimento fondamentali.

Tuttavia, la natura ha l'abitudine di sfidare le regole semplici. In un particolare percorso di decadimento, dove le particelle si trasformano in un mesone rho e un pione, lo stato eccitato si comporta in modo strano. Invece di decadere al tasso previsto, sembra essere quasi completamente silenzioso, mentre lo stato fondamentale decade con una vigoria sorprendente. Questa discrepanza, nota come il puzzle rho-pione, ha lasciato confusi gli scienziati per decenni, portando a varie teorie su forze nascoste o particelle esotiche che potrebbero interferire con il processo. I ricercatori Arthur Vereijken e Francesco Giacosa hanno ora rivisitato questo mistero utilizzando un quadro matematico dettagliato che tratta la forza nucleare forte e le interazioni elettromagnetiche come un sistema unificato. Il loro lavoro suggerisce che il problema non risieda nel comportamento carente dello stato eccitato, ma piuttosto nel fatto che lo stato fondamentale si comporti in modo inaspettatamente efficiente.

I ricercatori hanno affrontato il problema costruendo un modello che descrive come queste particelle pesanti si trasformino in particelle più leggere, tenendo conto sia della potente forza forte che lega i quark, sia della forza elettromagnetica che governa il modo in cui le particelle cariche interagiscono. Hanno iniziato testando questo modello contro i dati per lo stato eccitato, lo psi(2S). Con soli tre numeri regolabili per perfezionare i loro calcoli, hanno scoperto che il modello poteva riprodurre i dati sperimentali con una precisionità straordinaria. Lo stato eccitato si comportava esattamente come previsto dalle regole standard della fisica, decadendo in varie combinazioni di particelle leggere a tassi che corrispondevano quasi perfettamente alle osservazioni. Questo successo implicava che lo stato eccitato non fosse la fonte dell'anomalia; esso si comportava normalmente, seguendo le leggi stabilite del decadimento delle particelle senza necessitare di spiegazioni esotiche o meccanismi nascosti.

Quando il team ha applicato lo stesso modello allo stato fondamentale, il J/psi, il quadro è cambiato drasticamente. La versione semplice del loro modello, che aveva funzionato così bene per lo stato eccitato, non riusciva a corrispondere ai dati sperimentali per lo stato fondamentale. I tassi di decadimento calcolati erano molto lontani da quelli effettivamente misurati in laboratorio. Per risolvere il problema, i ricercatori dovettero introdurre complessità aggiuntive nel loro modello. Dovettero tenere conto di una sottile rottura di simmetria nel modo in cui le particelle interagiscono con diversi tipi di quark e dovettero includere un contributo significativo dalle interazioni elettromagnetiche che era molto più grande di quanto la teoria standard suggerirebbe. Una volta aggiunti questi ulteriori ingredienti, il modello si è finalmente allineato con i dati, producendo un adattamento statisticamente accettabile.

La scoperta più sorprendente è emersa da questo confronto. Il contributo elettromagnetico aggiuntivo richiesto per far funzionare il modello dello stato fondamentale era sorprendentemente grande, comparabile in forza alle interazioni primarie della forza forte. Ciò suggerisce che lo stato fondamentale non sia semplicemente una vittima passiva di un meccanismo di soppressione che colpisce lo stato eccitato. Al contrario, lo stato fondamentale sembra ricevere una spinta inaspettata nella sua capacità di decadere in queste specifiche particelle leggere. I ricercatori hanno esplorato se questo incremento potesse essere spiegato dal mixing dello stato fondamentale con una ipotetica, invisibile particella composta interamente da gluoni, nota come glueball vettoriale. Hanno scoperto che i loro risultati matematici erano effettivamente identici sia che assumessero l'esistenza di questo mixing, sia che non lo assumessero. I dati semplicemente non potevano distinguere tra i due scenari.

In definitiva, lo studio punta verso una soluzione in cui lo stato fondamentale è l'agente attivo del cambiamento. L'evidenza suggerisce che il puzzle rho-pione non sia causato dallo stato eccitato che è misteriosamente soppresso, ma piuttosto dallo stato fondamentale che è inaspettatamente potenziato. Lo stato fondamentale sembra avere accesso a percorsi o dinamiche aggiuntive che gli permettono di decadere in coppie di rho e pione molto più frequentemente di quanto consentirebbero le regole standard. Sebbene la possibilità di un componente di glueball nascosto rimanga un'interpretazione matematica valida, i ricercatori concludono che la lettura più diretta dei dati è che lo stato fondamentale possieda caratteristiche di decadimento uniche e potenziate. Questa intuizione sposta il focus del mistero da ciò che manca nello stato eccitato a ciò che è presente e amplificato nello stato fondamentale, offrendo un quadro più chiaro, seppur complesso, di come queste particelle pesanti si frammentano.