Probing CP violation in dark scalar decays at the SHiP experiment
Questo articolo propone l'uso dell'esperimento SHiP per sondare la violazione di CP in bosoni scalari oscuri su scala GeV analizzando il rapporto tra eventi di decadimento a tre mesoni e a due mesoni, che derivano rispettivamente da accoppiamenti pseudoscalari e scalari, insieme ai canali complementari a due muoni e a due fotoni.
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Nel vasto, invisibile paesaggio dell'universo, esiste un mistero persistente che le leggi note della fisica non possono spiegare appieno: perché il cosmo contenga più materia che antimateria? Secondo la nostra attuale comprensione, il Big Bang avrebbe dovuto creare quantità uguali di entrambe, che si sarebbero annichilate istantaneamente a vicenda, lasciando dietro di sé un universo riempito solo di luce. Il fatto che noi esistiamo, che le stelle brillino e i pianeti si formino, suggerisce che qualcosa abbia sbilanciato la bilancia a favore della materia. I fisici chiamano questo squilibrio una violazione di una simmetria fondamentale nota come violazione di CP. Sebbene abbiamo osservato questo fenomeno in alcuni specifici e rari processi particellari, le fonti note non sono abbastanza forti da giustificare l'esistenza dell'intero universo. Questo vuoto nella nostra conoscenza ha portato gli scienziati a cercare nuove, nascoste fonti di questa asimmetria, teorizzando spesso l'esistenza di un "settore oscuro" — un regno di particelle che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria che vediamo ogni giorno.
Un candidato promettente per un residente di questo settore oscuro è un bosone scalare oscuro, un tipo di particella invisibile ai nostri occhi ma che potrebbe essere prodotta in collisioni ad alta energia. Se tale particella esistesse, potrebbe essere una "miscela" di due stati diversi: uno che si comporta come un'immagine speculare di se stesso e uno che non lo è. Determinare se questa particella sia un'immagine speculare pura, un non-immagine speculare pura, o una combinazione di entrambi, è cruciale. Se fosse una miscela, sarebbe la prova diretta di un nuovo tipo di violazione di CP, risolvendo potenzialmente il mistero del perché l'universo sia fatto di materia. Tuttavia, poiché queste particelle interagiscono così debolmente, sono incredibilmente difficili da catturare, e il loro comportamento è sottile.
Un team di ricercatori ha proposto un modo ingegnoso per dare la caccia a questo specifico tipo di particella utilizzando due esperimenti imminenti progettati per catturare particelle a lunga durata di vita: SHiP, situato al CERN in Europa, e FASER2, situato presso il Large Hadron Collider. I ricercatori si sono concentrati su un bosone scalare oscuro con una massa compresa approssimativamente tra un e due miliardi di elettronvolt, una scala abbastanza pesante da essere interessante ma abbastanza leggera da essere prodotta in grandi numeri. La loro strategia si basa sull'osservare come questa particella invisibile decade, o si frammenta, in altre particelle più familiari. La chiave di volta è che il modo in cui la particella si frammenta dipende interamente dalla sua natura interna. Se la particella è uno stato di immagine speculare pura, si frammenterà quasi esclusivamente in coppie di mesoni, ovvero particelle composte da un quark e un antiquark. Se è uno stato non-speculare puro, si frammenterà quasi esclusivamente in gruppi di tre mesoni.
I ricercatori si sono resi conto che se lo scalare oscuro fosse una miscela di entrambi gli stati, sarebbe la prova schiacciante di una nuova fisica. In questo scenario, la particella decadrebbe sia in coppie che in triplette di mesoni simultaneamente. Per testare questo, il team ha simulato le condizioni degli esperimenti SHiP e FASER2, calcolando quanti di questi particelle sarebbero prodotti dal decadimento di mesoni B più pesanti e quanti sopravvivrebbero abbastanza a lungo da raggiungere i rivelatori. Hanno scoperto che per un ampio intervallo di possibili masse e angoli di miscelazione, gli esperimenti vedrebbero un numero significativo di eventi in cui lo scalare oscuro decade in due mesoni, e un numero distinto e separato di eventi in cui decade in tre mesoni. Confrontando il rapporto tra questi due tipi di eventi, gli scienziati potrebbero determinare l'esatta natura della violazione di CP dello scalare oscuro.
Lo studio ha anche esaminato altri modi in cui la particella potrebbe decadere, come in coppie di muoni o coppie di fotoni. Sebbene questi canali siano altrettanto utili, i ricercatori hanno scoperto che il confronto tra i canali a due mesoni e a tre mesoni offre la sonda più sensibile. Le loro simulazioni suggeriscono che se lo scalare oscuro esistesse con le proprietà da loro modellate, l'esperimento SHiP, che è progettato per essere eccezionalmente sensibile, potrebbe osservare migliaia di questi eventi di decadimento. Anche se la particella interagisse leggermente più debolmente rispetto alla loro stima più ottimistica, il segnale sarebbe comunque abbastanza forte da distinguere tra uno stato puro e uno stato misto. L'esperimento FASER2, pur essendo più piccolo e rilevando meno eventi, potrebbe comunque contribuire con dati preziosi, in particolare per particelle con masse vicine alla massa di un particolare mesone chiamato eta-prime.
Ciò che rende questo approccio particolarmente potente è che non si affida alla misurazione di angoli complessi o correlazioni sottili che richiedono una precisione perfetta del rivelatore. Inve al, si affida a un semplice conteggio: ci sono particelle che si frammentano in due, e ci sono particelle che si frammentano in tre? Se la risposta è sì a entrambi, dimostra che lo scalare oscuro è uno stato con miscelazione di CP. I ricercatori hanno confermato che questo segnale si distinguerebbe chiaramente contro il rumore di fondo previsto in questi esperimenti. Hanno anche verificato che le loro conclusioni rimanessero valide anche se la particella non interagisse con elettroni o muoni, uno scenario che cambierebbe il tempo di vita della particella prima del decadimento. In tutti i casi, il rapporto tra i modi di decadimento è rimasto un indicatore affidabile.
Questo lavoro fornisce una tabella di marcia chiara per la prossima generazione di esperimenti di fisica delle particelle. Si sposta oltre la possibilità teorica di un settore oscuro verso una previsione concreta e testabile. Se il bosone scalare oscuro venisse scoperto, la primissima domanda sarà determinare la sua identità. Semplicemente contando il numero di coppie di particelle rispetto alle triplette di particelle nei detriti di una collisione, gli scienziati saranno in grado di rispondere se questa particella nascosta detiene la chiave dello squilibrio materia-antimateria dell'universo. Il metodo proposto trasforma il complesso problema della simmetria quantistica in un semplice esercizio di conteggio, offrendo una via realistica per svelare uno dei segreti più profondi del cosmo.
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