Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

L'universo è tenuto insieme da forze che non sono sempre visibili, e uno dei misteri più persistenti della fisica moderna riguarda una minuscola particella chiamata muone. Questa particella è una cugina più pesante dell'elettrone e possiede una proprietà magnetica che la fa oscillare mentre ruota. Gli scienziati hanno calcolato esattamente quanto dovrebbe essere questa oscillazione basandosi sul Modello Standard, la migliore teoria di cui disponiamo per spiegare come funziona l'universo. Tuttavia, quando misurano l'oscillazione nel mondo reale, il risultato è differente. Questo divario tra previsione e realtà è il segno che qualcosa manca alla nostra comprensione, forse una nuova forza della natura o un difetto nel modo in cui calcoliamo il comportamento della forza nucleare forte a basse energie. Per risolvere questo enigma, i fisici devono affinare i loro calcoli su come le particelle interagiscono, guardando specificamente a come luce e materia collidono in modi che sono difficili da prevedere con la matematica attuale.

Per ottenere un quadro più chiaro, i ricercatori hanno bisogno di dati precisi su come certe particelle rispondono quando vengono colpite da due fasci di luce contemporaneamente. Questo processo, noto come fusione di due fotoni, è la chiave per comprendere lo scattering luce-fotone-luce (hadronic light-by-light) che contribuisce all'oscillazione magnetica del muone. I modelli teorici faticano a descrivere questa interazione ai bassi livelli di energia dove avvengono gli effetti più importanti. Di conseguenza, gli scienziati devono rivolgersi a esperimenti in grado di osservare direttamente queste collisioni. L'esperimento BESIII, situato a Pechino, in Cina, opera a un livello di energia che lo rende unicamente adatto a osservare questi rari eventi mentre si manifestano. Facendo collidere elettroni e positroni, la macchina crea una pioggia di particelle, inclusi pioni neutri e altri stati a vita breve, permettendo ai fisici di misurare come queste particelle si formano quando colpite da due fotoni.

In questo ultimo lavoro, la collaborazione BESIII ha utilizzato una vasta collezione di dati di collisione per misurare i fattori di forma di transizione elettromagnetica di diverse particelle leggere. Un fattore di forma di transizione è essenzialmente una mappa che mostra come la struttura interna di una particella cambi quando viene colpita da un fotone di una specifica energia. Il team si è concentrato prima sul pione neutro, una particella fondamentale composta da un quark e un antiquark. Utilizzando 2,93 fb⁻¹ di dati di collisione, hanno misurato come il pione risponde a un singolo fotone virtuale — un fotone che esiste solo per un istante fugace durante la collisione — attraverso un intervallo di basse energie. Il risultato è stato una misurazione altamente precisa che colma una lacuna lasciata dai precedenti esperimenti. Quando confrontati con le teorie esistenti, i nuovi dati forniscono un test rigoroso, aiutando a distinguere tra diversi modelli matematici che tentano di descrivere la forza forte. Le misurazioni si allineano bene con alcune previsioni teoriche e scartano altre, offrendo una via più chiara per calcolare il momento magnetico anomalo del muone.

Oltre al singolo pione, i ricercatori hanno anche indagato cosa accade quando due fotoni collidono per produrre una coppia di pioni neutri. Questo processo è più complesso perché coinvolge stati intermedi, o risonanze temporanee, che agiscono come gradini tra la collisione iniziale e le particelle finali. Il team ha analizzato i dati per separare i contributi di specifiche particelle, inclusi i mesoni scalari noti come f0(500) e f0(980), e il mesone tensoriale f2(1270). Analizzando attentamente i dati in base all'energia della collisione e all'angolo in cui emergono le particelle, sono stati in grado di isolare i segnali di questi stati a vita breve. Ciò ha permesso loro di estrarre i fattori di forma di transizione per queste particelle, ottenendo la prima misurazione in assoluto per il TFF di f0(500), insieme alle determinazioni più precise e a bassa energia per i TFF di f0(980) e f2(1270). I dati hanno rivelato la struttura interna di queste particelle con una precisione che non era stata raggiunta in precedenza, mostrando come esse interagiscono con la luce alle basse energie.

La significatività di queste scoperte va oltre il semplice catalogare le proprietà delle particelle. Le nuove misurazioni forniscono l'input sperimentale critico necessario per affinare le previsioni teoriche per il momento magnetico anomalo del muone. Riducendo l'incertezza nel contributo dello scattering hadronic light-by-light, il lavoro aiuta a chiarire se la discrepanza tra teoria ed esperimento sia dovuta a una nuova fisica o semplicemente a un limite dei nostri modelli attuali. Il team BESIII ha dimostrato che, con grandi set di dati e un'analisi accurata, è possibile sondare il funzionamento interno di queste particelle con una precisione senza precedenti. Guardando al futuro, l'esperimento prevede di utilizzare set di dati ancora più ampi per misurare i fattori di forma di altre particelle, tra cui l'f1(1285), che si prevede sarà ancora più importante per risolvere il mistero del muone. Questi sforzi rappresentano un passo costante e metodico verso la risoluzione di una delle domande più intriganti della fisica delle particelle, portando la comunità scientifica più vicina alla comprensione delle forze fondamentali che danno forma al nostro universo.