Branching fraction measurement of the decay at high dihadron mass
Utilizzando 8,4 fb⁻¹ di dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore LHCb, questo studio riporta la prima misura differenziale della frazione di branching per il decadimento attraverso lo spettro di massa tra 1000 e 1835 MeV/c², includendo la prima osservazione di questo decadimento sopra la risonanza in quella regione.
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Nel mondo subatomico, la natura segue un insieme rigoroso di regole noto come Modello Standard, una teoria che per decenni ha predetto con successo il comportamento delle particelle. Tuttavia, i fisici sospettano da tempo che questo libro delle regole sia incompleto, privo di un capitolo che potrebbe spiegare i misteri più profondi dell'universo. Per trovare questi pezzi mancanti, gli scienziati cercano momenti in cui la natura sembra infrangere le proprie leggi. Uno dei luoghi più promettenti in cui cercare è nel decadimento di particelle pesanti chiamate mesoni B. Queste particelle instabili, create in collisioni ad alta energia, alla fine si frammentano in particelle più leggere. A volte, si trasformano in un modo che è teoricamente possibile ma incredibilmente raro: un pesante quark bottom all'interno del mesone B si trasforma in un più leggero quark strange, emettendo una coppia di muoni (cugini pesanti degli elettroni) nel processo. Questa specifica trasformazione è così rara nel Modello Standard che anche una minima deviazione dal tasso predetto potrebbe segnalare la presenza di forze o particelle nuove e ancora sconosciute.
Per anni, i ricercatori hanno misurato questi rari decadimenti, ed è emerso un modello. In diversi esperimenti, la frequenza di questi eventi e gli angoli con cui le particelle volano via hanno mostrato una discrepanza costante e inquietante rispetto alle previsioni del Modello Standard. Questa discrepanza suggerisce che i valori matematici che governano la forza di queste interazioni potrebbero essere diversi da come pensavamo. Per risolvere questo enigma, gli scienziati devono misurare questi decadimenti con estrema precisione attraverso un ampio intervallo di condizioni, cercando dove la teoria potrebbe fallire. La collaborazione LHCb al CERN è stata in prima linea in questo sforzo, utilizzando il Large Hadron Collider per far scontrare protoni e creare le particelle pesanti necessarie per questi studi.
In uno studio recente, il team LHCb si è concentrato su un tipo specifico di decadimento in cui un mesone B neutro si frammenta in una coppia di muoni e una coppia di particelle cariche: un kaone positivo e un pione negativo. Mentre studi precedenti avevano esaminato questo decadimento quando il kaone e il pione si muovevano lentamente l'uno rispetto all'altro, questo nuovo lavoro ha ampliato la ricerca verso una regione a energia più elevata. I ricercatori hanno analizzato i dati raccolti tra il 2011 e il 2018, corrispondenti a una quantità massiccia di eventi di collisione. Si sono concentrati specificamente sulla massa della coppia kaone-pione, una misurazione che ci dice quanta energia è legata al loro moto e alla loro interazione. Il team si è focalizzato sull'intervallo in cui questa massa è compresa tra 1000 e 1835 unità di massa-energia, una regione che non era stata esplorata a fondo per questo specifico modo di decadimento.
L'analisi ha richiesto di setacciare miliardi di eventi di collisione per trovare la manciata che corrispondesse alla firma di questo raro decadimento. Il team ha utilizzato sofisticati algoritmi informatici per filtrare il rumore di fondo, che consiste in altre interazioni di particelle che possono mimare il segnale. Una volta isolati gli eventi genuini, hanno misurato la frequenza con cui avviene il decadimento attraverso diversi livelli di energia. I risultati sono stati chiari: il decadimento è stato osservato per la prima volta in questa specifica regione ad alta massa, e il team ha misurato con successo il tasso con cui avviene. Hanno scoperto che il decadimento avviene con una frequenza che può essere quantificata con precisione, fornendo un nuovo punto dati che aiuta a mappare il comportamento di queste particelle.
Fondamentalmente, i ricercatori hanno anche osservato il decadimento in regioni in cui l'energia della coppia di muoni è molto alta, ben al di sopra dell'energia di una famosa particella chiamata J/psi. In queste zone ad alta energia, il decadimento non era mai stato visto prima. Il team ha confermato l'esistenza del decadimento in queste regioni e ne ha misurato il tasso, scoprendo che diminuisce all'aumentare dell'energia, un comportamento che si allinea con i limiti previsti dello spazio disponibile per il movimento delle particelle. Questa misurazione è significativa perché completa il quadro di questo decadimento attraverso un ampio intervallo di energie. Combinando questi nuovi risultati con le misurazioni precedenti dalle energie inferiori, gli scienziati hanno ora una visione completa di come questo decadimento si comporti dall'inizio alla fine.
Le scoperte non dimostrano ancora che il Modello Standard sia sbagliato, ma forniscono uno strumento molto più affilato per testarlo. I nuovi dati permettono ai teorici di confrontare le loro previsioni con la realtà con maggiore accuratezza, particolarmente nelle regioni ad alta energia dove gli effetti della nuova fisica potrebbero essere più sottili. Lo studio aiuta anche a perfezionare la comprenszione delle complesse interazioni tra le particelle coinvolte, necessarie per fare previsioni accurate. Riempendo questi vuoti nei dati, la collaborazione LHCb ha fornito alla comunità scientifica una mappa più completa di questo raro processo, portandoci un passo più vicini a capire se l'universo nasconda segreti oltre le nostre attuali teorie.
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