Search for rare charm decays at BESIII

L'universo è costruito su un insieme di regole che i fisici chiamano Modello Standard. È una mappa di successo di come la materia e l'energia si comportano, eppure lascia alcune delle domande più grandi senza risposta. Perché c'è più materia che antimateria? Cos'è la materia oscura che tiene insieme le galassie? Per trovare le risposte, gli scienziati non cercano solo nuove particelle pesanti; cercano anche crepe nella mappa esistente. Cacciano processi che sono così rari o così proibiti dalle regole attuali che trovare anche un singolo caso segnalerebbe che qualcosa di nuovo sta accadendo. Uno dei luoghi più promettenti in cui cercare queste crepe è il mondo dei quark charm. Questi sono particelle pesanti e instabili che decadono rapidamente, ma quando lo fanno, possono rivelare sottili violazioni di simmetria o cambiamenti inaspettati della loro identità. Studiando miliardi di questi decadimenti, i ricercatori possono testare i limiti della nostra comprensione e vedere se l'universo si comporta esattamente come prevede il Modello Standard, o se custodisce un segreto che richiede una nuova teoria per essere spiegato.

Al cuore di questa ricerca si trova l'esperimento BESIII, un enorme rilevatore situato a Pechino, in Cina. Si trova all'interno di un anello di accumulo dove fasci di elettroni e i loro controparti antimateria, i positroni, si scontrano tra loro. Queste collisioni creano un ambiente pulito in cui nascono nuove particelle e decadono immediatamente. I ricercatori hanno raccolto una quantità enorme di dati, inclusi i più grandi campioni al mondo di particelle specifiche chiamate charmonium, che sono stati legati di un quark charm e di un anti-quark charm. Con questo vasto insieme di dati, il team ha eseguito una revisione completa di diversi tipi di decadimenti rari, cercando segni di fisica che il Modello Standard dice non dovrebbero accadere, o che dovrebbero accadere così raramente da essere effettivamente invisibili.

La prima area di indagine riguarda il decadimento debole del charmonium. Nel Modello Standard, queste particelle dovrebbero decadere attraverso le forze forti o elettromagnetiche, ma esiste una possibilità minuscola, quasi impossibile, che decadano tramite la forza debole, che è responsabile della radioattività. I ricercatori hanno cercato schemi specifici in cui una particella di charmonium si trasforma in una coppia di altre particelle, come un mesone D neutro e un mesone K star. Per trovare questi eventi rari, hanno utilizzato una tecnica ingegnosa: hanno ricostruito uno dei prodotti di decadimento in un modo che filtrasse l'inquinamento eccessivo del rumore di fondo delle collisioni ordinarie di particelle. Dopo aver analizzato i dati, non hanno trovato prove di questi decadimenti deboli. Invece, hanno stabilito un nuovo limite molto più stretto su quanto spesso questi eventi possano effettivamente verificarsi, spingendo il confine di ciò che è permesso verso un livello di uno su dieci milioni. Questo risultato non prova che il decadimento avvenga, ma esclude molte teorie che prevedevano che fosse più comune.

Successivamente, il team ha cercato correnti neutre a cambio di sapore. Nel linguaggio della fisica delle particelle, questo descrive un processo in cui un quark cambia il suo tipo, o "sapore", senza cambiare la sua carica elettrica. Il Modello Standard permette che ciò accada, ma solo attraverso complessi loop indiretti che lo rendono estremamente raro. I ricercatori hanno esaminato i decadimenti in cui una particella di charmonium si trasforma in un mesone D neutro e una coppia di muoni, o un mesone D neutro e un fotone. Hanno anche esaminato decadimenti simili che coinvolgono mesoni D prodotti a una specifica soglia di energia in cui vengono creati in coppia. Identificando una particella della coppia, potevano studiare l'altra con alta precisione. Non sono stati trovati segnali. I limiti stabiliti da queste ricerche si stanno ora avvicinando al livello in cui il Modello Standard prevede che questi eventi debbano verificarsi, il che significa che se la nuova fisica si nasconde in questi decadimenti, lo fa in modo molto sottile.

La ricerca si è estesa anche alla violazione del sapore dei leptoni carichi. Sebbene sappiamo che i neutrini possono cambiare il loro sapore, il Modello Standard prevede che particelle più pesanti come elettroni e muoni non debbano mai cambiare identità in un decadimento. Trovare un elettrone che si trasforma in un muone, o viceversa, sarebbe un segno chiaro di nuova fisica. I ricercatori hanno cercato questo in diversi contesti: nel decadimento di una particella psi in un elettrone e un muone, e nel decadimento di mesoni eta nella stessa coppia. Hanno utilizzato l'ambiente pulito del collisore per distinguere questi rari eventi dal rumore di fondo. Il risultato è stata una completa assenza di tali eventi. Hanno stabilito i limiti più severi finora su questi processi, escludendo efficacemente molti modelli che prevedevano un tasso più elevato di scambio di sapore. Questi risultati nulli pongono forti vincoli alle forze teoriche che potrebbero causare tale violazione.

Infine, il team ha investigato un principio fondamentale della natura chiamato simmetria di Bose. Questa regola afferma che due particelle identiche con spin zero, come due kaoni neutri, non possono esistere in uno stato che violi certe proprietà quantistiche. Nel caso specifico di due kaoni neutri prodotti da un decadimento di charmonium, il Modello Standard prevede che l'evento sia proibito a meno che non avvenga una minuscola rottura di simmetria. I ricercatori hanno cercato la produzione simultanea di due kaoni neutri. Non hanno trovato tali eventi. I limiti che hanno stabilito sono così bassi da cadere al di sotto delle previsioni di alcune teorie proposte riguardanti la gravità quantistica e la violazione della località, che suggeriscono che particelle entangled possano comportarsi in modi che infrangono queste regole. Tuttavia, i risultati rimangono al di sopra del livello minuscolo di violazione causato da fonti note di rottura di simmetria all'interno del Modello Standard.

In sintesi, la collaborazione BESIII ha utilizzato i più grandi campioni al mondo di particelle charm per eseguire le ricerche più sensibili ad oggi di decadimenti rari e proibiti. Non hanno trovato prove della nuova fisica che stavano cacciando. Invece, hanno tracciato un cerchio più stretto attorno al Modello Standard, mostrando che la natura aderisce alle sue regole con una precisione sorprendente. Sebbene non siano state scoperte nuove particelle o forze, il lavoro è tutt'altro che finito. L'esperimento è programmato per ricevere aggiornamenti che aumenteranno il numero di collisioni e miglioreranno la capacità di tracciare le particelle. Con più dati e strumenti migliori, la ricerca delle più piccole crepe nella mappa della fisica continuerà, spinta dalla speranza che un giorno, un singolo evento raro rivelerà una verità più profonda sull'universo.