Observation of the and study of the decays
Utilizzando i dati di collisioni protone-protone dell'LHCb, questo articolo riporta la prima osservazione del raro decadimento con un rapporto di ramificazione misurato di e fornisce una nuova misura del rapporto di ramificazione tra e .
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Nel mondo subatomico, la natura segue un insieme rigoroso di regole noto come Modello Standard. Questo quadro spiega come le particelle più piccole dell'universo interagiscono, ma contiene anche rari margini di manovra. Uno di questi margini riguarda un tipo specifico di trasformazione in cui un quark pesante chiamato quark bottom si trasforma in un quark strange più leggero. Secondo il Modello Standard, questo cambio è incredibilmente difficile da realizzare; può avvenire solo attraverso percorsi indiretti e complessi che ne sopprimono l'evento, rendendolo un accadimento molto raro. Poiché questi eventi sono così rari, essi fungono da test sensibile per le leggi della fisica. Se l'universo si comportasse in modo leggermente diverso da quanto previsto dal Modello Standard durante questi rari momenti, ciò potrebbe essere il segno di forze o particelle nuove e sconosciute che si nascondono nell'ombra.
Per decenni, gli scienziati hanno concentrato la ricerca di questi rari eventi sui mesoni, che sono particelle composte da due quark. Tuttavia, esiste un'altra famiglia di particelle chiamate barioni, che sono composte da tre quark. Questi barioni offrono una prospettiva diversa perché ruotano (spin), aggiungendo uno strato di complessità che i mesoni non possiedono. Finora, la maggior parte della ricerca su queste rare trasformazioni nei barioni era stata limitata a un solo tipo, lasciando un vuoto nella nostra comprensione di come queste regole si applichino a particelle più pesanti e complesse. L'esperimento LHCb al CERN, un enorme rilevatore progettato per studiare particelle contenenti quark pesanti, ha ora rivolto la sua attenzione a un barione più pesante noto come . Questa particella è molto più rara da produrre rispetto a quelle studiate in precedenza, rendendo la ricerca dei suoi rari decadimenti una sfida significativa.
Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore LHCb ha osservato con successo, per la prima volta, un raro decadimento del barione . In questo processo, il barione pesante si trasforma in una particella più leggera chiamata e una coppia di muoni, che sono "cugini" pesanti dell'elettrone. Questo evento è guidato dalla rara transizione di un quark bottom in un quark strange. Per trovare questo segnale, il team ha analato una vasta quantità di dati raccolti da collisioni protone-protone all'Large Hadager Collider nel corso di diversi anni. Hanno cercato una firma specifica: una cascata di decadimenti in cui il barione pesante si divide prima in un e due muoni, e poi il stesso decade in una particella lambda e un pione, con la particella lambda che decade ulteriormente in un protone e un altro pione. Questa catena unica di eventi crea un percorso distinto attraverso il rivelatore che è molto difficile da imitare per il rumore di fondo.
I ricercatori hanno trovato prove chiare di questo decadimento, osservando un segnale statisticamente significativo da essere considerato una scoperta. Hanno contato il numero di volte in cui questo evento si è verificato e lo hanno confrontato con un decadimento simile più comune, in cui il si trasforma in un e in una particella J/psi, uno stato ben noto composto da un quark charm e dal suo antiparticella. Utilizzando questo decadimento comune come punto di riferimento, il team è riuscito a cancellare molte incertezze relative alla frequenza con cui queste particelle vengono prodotte e a come il rivelatore le vede. Questo metodo ha permesso loro di misurare la probabilità dell'evento raro con una precisione molto maggiore. Hanno determinato che la frazione di ramificazione, ovvero la probabilità che questo specifico decadimento avvenga rispetto a tutti i modi possibili in cui la particella può decadere, è approssimativamente di . Ciò significa che per ogni dieci milioni di decadimenti, questo evento raro avviene circa una volta, un tasso sorprendentemente alto rispetto ad altri processi simili che coinvolgono i barioni.
Lo studio ha anche esaminato come questo decadimento si comporti a diversi livelli di energia, esaminando specificamente la massa dei due muoni prodotti nell'evento. I ricercatori hanno suddiviso i dati in tre intervalli distinti di questa massa. Nell'intervallo di energia più elevato, hanno trovato un segnale molto forte, confermando che il decadimento avviene frequentemente lì. Nell'intervallo intermedio, hanno trovato prove del decadimento, sebbene con minore certezza. Nell'intervallo di energia più basso, il segnale era troppo debole per essere confermato, quindi hanno stabilito un limite superiore su quanto spesso possa accadere. Queste misurazioni sono state confrontate con le previsioni fatte da modelli teorici basati sulla cromodinamica quantistica su reticolo, un metodo potente per calcolare il comportamento dei quark. I risultati hanno mostrato un buon accordo con queste previsioni, in particolare nella regione ad alta energia, suggerendo che l'attuale comprensione del Modello Standard regge anche per queste particelle pesanti e complesse.
Oltre al raro decadimento della coppia di muoni, il team ha anche studiato un processo correlato in cui il decade in un e in un "cugino" più pesante della J/psi, chiamato . Hanno misurato il rapporto tra la frequenza con cui questo avviene rispetto al decadimento più comune della J/psi. Hanno scoperto che il decadimento avviene circa la metà delle volte rispetto al decadimento J/psi. Questo risultato è coerente con le misurazioni effettuate su altri tipi di barioni e aiuta gli scienziati a comprendere il ruolo delle interazioni complesse che avvengono quando queste particelle decadono. Il fatto che il raro decadimento della coppia di muoni avvenga a un tasso comparabile, o addirittura superiore, a decadimenti simili in particelle più leggere, suggerisce che la massa elevata del potrebbe compensare parzialmente la sua bassa velocità di produzione, rendendo possibile l'osservazione di questi eventi elusivi.
Questa scoperta apre un nuovo capitolo nello studio dei barioni pesanti. Confermando che questi rari decadimenti avvengono e misurandone le velocità, i ricercatori hanno fornito un nuovo parametro di riferimento per testare il Modello Standard. La capacità di osservare questi eventi in un sistema di barioni più pesanti, con le loro uniche proprietà di spin, offre un modo complementare per verificare eventuali deviazioni che potrebbero far ipotizzare una nuova fisica. Mentre l'esperimento LHCb continua a raccogliere nuovi dati negli anni a venire, gli scienziati saranno in grado di studiare i dettagli dei pattern angolari di questi decadimenti, potenzialmente scoprendo segreti ancora più profondi sulle forze fondamentali che governano l'universo. L'osservazione del decadimento è una testimonianza della potenza della misurazione di precisione nella ricerca della comprensione dei blocchi costruttivi della realtà.
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