Recent results in $b \rightarrow s\,\ell\ell$ transitions at LHCb

L'universo è costruito su un insieme di regole note come Modello Standard, una teoria che predice con successo il modo in cui le particelle più piccole dell'esistenza si comportano e interagiscono. Per decenni, questo quadro teorico ha resistito a intensi esami, eppure i fisici rimangono convinti che sia incompleto. Esso non spiega la gravità, la materia oscura o il perché l'universo sia fatto di materia piuttosto che di antimateria. Per trovare i pezzi mancanti, gli scienziati cercano crepe nella teoria, cercando momenti in cui la natura si comporta in modo leggermente diverso da come previsto dalle regole. Uno dei luoghi più promettenti in cui cercare è nel decadimento di particelle pesanti chiamate adroni B. Queste particelle sono instabili e si frammentano in particelle più leggere, ma talvolta, in casi molto rari, si trasformano in un modo che è fortemente soppresso dal Modello Standard. Poiché questi eventi rari accadono così infrequenti, anche un'infinitesima influenza di una nuova, sconosciuta forza potrebbe lasciare un segno visibile, rendendoli laboratori ideali per la caccia alla nuova fisica.

I ricercatori presso l'esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty), hanno studiato questi rari decadimenti con una precisione crescente. Il loro ultimo lavoro si concentra su un tipo specifico di trasformazione in cui un pesante quark beauty si trasforma in un quark strange, emettendo una coppia di leptoni — particelle come elettroni o muoni — nel processo. Per un certo periodo, le misurazioni di questi decadimenti hanno mostrato una tensione persistente con le previsioni teoriche. I dati suggeriscono che le particelle si stiano comportando in un modo che le attuali regole della fisica non possono spiegare completamente. Ciò ha scatenato un dibattito: queste discrepanze sono i primi segni di una nuova forza fondamentale, o significano semplicemente che la nostra comprensione delle complesse interazioni all'interno dell'atomo è ancora incompleta? I nuovi risultati di LHCb non risolvono questa questione, ma rendono più nitida la situazione, mostrando che la tensione persiste anche mentre le misurazioni diventano più precise, offrendo al contempo nuovi modi per testare la teoria.

In uno degli studi più dettagliati presentati, il team ha analizzato il decadimento di un mesone B neutro in un mesone K-star e una coppia di muoni. Questo decadimento specifico è complesso perché le particelle coinvolte possono ruotare e orientarsi in modi diversi, creando un ricco schema di angoli e masse. Esaminando milioni di questi eventi, i ricercatori hanno mappato il comportamento del decadimento attraverso diverse fasce di energia. Hanno scoperto che, sebbene la maggior parte delle proprietà misurate corrispondesse al Modello Standard, due aspetti specifici del modello continuavano a deviare. Uno di questi, una misurazione di come le particelle si separano, e un altro relativo all'equilibrio delle forze, mostravano entrambi una differenza rispetto alla previsione che è statisticamente significativa. I dati si collocano tra una e tre deviazioni standard da ciò che la teoria si aspetta, un divario che è stato osservato da più esperimenti in tutto il mondo. Quando il team ha combinato questi risultati con altre misurazioni, la tensione statistica con il Modello Standard è cresciuta, suggerendo che, se si tratta effettivamente di un segno di nuova fisica, è probabile che sia legata a un tipo specifico di interazione che attualmente manca nelle nostre equazioni.

Per capire se queste deviazioni derivino da nuove particelle o da un malinteso su come le particelle note interagiscono, i ricercatori hanno eseguito un tipo diverso di analisi. Invece di raggruppare i dati in intervalli di energia, hanno esaminato l'intero spettro del decadimento in un colpo solo, utilizzando un modello per separare gli effetti noti e a lungo raggio della forza nucleare forte dai segnali a corto raggio dove la nuova fisica potrebbe nascondersi. Questo approccio ha permesso loro di misurare direttamente la forza delle interazioni sottostanti. I risultati hanno confermato che la parte reale della forza responsabile del decadimento è più debole di quanto previsto dal Modello Standard, allineandosi con le osservazioni precedenti. Tuttavia, quando hanno cercato segni di violazione della simmetria carica-parità — una sottile differenza tra materia e antimateria — non ne hanno trovati. I dati non hanno mostrato alcuna evidenza che la nuova fisica, se esiste, si comporti diversamente per la materia e l'antimateria, il che aiuta a restringere i tipi di teorie che potrebbero spiegare l'anomalia.

Il team ha applicato questo stesso rigoroso approccio anche a un decadimento simile che coinvolge un mesone B con carica positiva. Qui, i risultati sono stati più ambigui. Quando hanno assunto che le forze note fossero esattamente come previsto dalla teoria, i dati suggerivano una tensione con il Modello Standard. Tuttavia, quando hanno permesso ad altri fattori di variare, la tensione è scomparsa e i risultati sono diventati coerenti con altre misurazioni di questo tipo di decadimento. Ciò evidenzia la difficoltà del campo: il segnale è così sottile che l'interpretazione dipende fortemente da come vengono modellate le complesse interazioni di fondo. I ricercatori si sono anche avventurati in territori inesplorati misurando un decadimento in cui lo stato finale contiene un kaone e un pione con una massa combinata superiore a qualsiasi altra precedentemente studiata. Questa regione del decadimento non era mai stata misurata prima e, sebbene non esistano ancora previsioni teoriche per essa, la misurazione riuscita apre una nuova finestra per futuri confronti.

Infine, la collaborazione ha affrontato la questione della universalità del sapore dei leptoni, un principio secondo cui le leggi della fisica dovrebbero trattare elettroni e muoni esattamente allo stesso modo, differenziandoli solo per la loro massa. Il team ha misurato il rapporto tra i decadimenti che producono muoni rispetto a quelli che producono elettroni in una regione ad alta energia che non era mai stata esplorata in un collisionatore di adroni. Il risultato è stato un rapporto di 1,08, con un piccolo margine di errore. Questo valore è pienamente coerente con il Modello Standard, che prevede che il rapporto debba essere esattamente uno. Questo risultato è significativo perché dimostra che, sebbene alcuni aspetti del decadimento mostrino tensione con la teoria, la fondamentale simmetria tra elettroni e muoni si mantiene salda in questo regime ad alta energia. La precisione di questa misurazione è tre volte migliore di qualsiasi tentativo precedente, fornendo un solido punto di riferimento per studi futuri.

Il lavoro presentato qui rappresenta un grande passo avanti nella ricerca per comprendere la natura fondamentale dell'universo. Le tensioni persistenti nei dati suggeriscono che il Modello Standard non sia l'ultima parola, eppure la mancanza di una chiara violazione della simmetria e la coerenza di alcune misurazioni significano che la risposta non è ancora in mano. I ricercatori sottolineano che le loro scoperte si basano sui dati raccolti durante le prime due fasi principali del collisionatore. Con la macchina che ora opera a una capacità molto più elevata, raccogliendo tre volte più dati rispetto a prima, la prossima generazione di misurazioni avrà il potere di confermare questi indizi di nuova fisica o di rivelare che si tratta di un trucco dei modelli teorici attuali. Nel frattempo, il mistero del raro decadimento del quark beauty rimane uno dei puzzle più affascinanti della fisica moderna.