Search for new physics with charm data at BESIII

L'universo che vediamo intorno a noi è fatto di materia, eppure le leggi della fisica che governano le particelle più piccole suggeriscono che il Big Bang avrebbe dovuto creare quantità uguali di materia e antimateria, che si sarebbero annichilate a vicenda istantaneamente. Questa discrepanza è uno dei grandi enigmi irrisolti della scienza moderna, insieme al mistero del perché i neutrini, particelle fantasma che attraversano tutto, abbiano una massa. Il Modello Standard, la nostra migliore mappa attuale del mondo subatomico, descrive come le particelle interagiscono ma non può spiegare queste lacune. Per trovare i pezzi mancanti, i fisici cercano eventi rari in cui le regole sembrano rompersi, come processi che violano la conservazione del numero leptonico o del numero barionico. Il numero leptonico è un conteggio di certe particelle leggere come gli elettroni, mentre il numero barionico conta particelle più pesanti come protoni e neutroni; nel Modello Standard, questi conteggi sono rigorosamente preservati. Se gli scienziati riuscissero a cogliere una particella mentre compie un'azione che cambia questi conteggi, o se vedessero una particella trasformarsi in un tipo diverso di leptone senza un neutrino per bilanciare i conti, sarebbe un segno chiaro di una nuova fisica oltre la nostra comprensione attuale.

Al Beijing Electron Positron Collider, una macchina che fa scontrare elettroni e i loro controparti antimateria, l'esperimento BESIII ha raccolto una collezione massiccia di dati derivanti da collisioni che creano charmonium, una particella pesante composta da un quark charm e dal suo antiquark. Questo dataset, contenente miliardi di eventi, funge da microscopio ad alta precisione per la caccia a queste trasformazioni proibite. I ricercatori si sono concentrati su tre direttrici principali: cercare segni che i neutrini siano le proprie antiparticelle, cercare particelle che cambiano la propria identità in modi che il Modello Standard proibisce, e verificare se le pesanti particelle di charmonium possano decadere attraverso forze deboli in modi che sono solitamente impossibili. Analizzando questi miliardi di collisioni, il team è stato in grado di stabilire i limiti più stringenti ad oggi su quanto spesso questi strani eventi possano verificarsi, restringendo efficacemente lo spazio di ricerca per nuove teorie.

Nella caccia alla violazione del numero leptonico, il team ha cercato un processo in cui una pesante particella chiamata barione cascata decade in un barione sigma più leggero e due elettroni, una reazione che implicherebbe che il neutrino sia una particella di Majorana, ovvero che sia la propria antiparticella. Utilizzando una tecnica che ricostruisce l'evento da entrambi i lati della collisione per garantirne l'accuratezza, hanno esaminato oltre dieci miliardi di collisioni. Non hanno trovato prove di questo decadimento. Inveve di trovare un segnale, hanno calcolato che, se questo decadimento avviene, deve accadere meno di due volte ogni cento mila tentativi. Hanno esteso questa ricerca ad altre particelle, inclusi i mesoni come l'eta e l'omega, cercando decadimenti simili in cui una particella neutra si trasforma in due pioni e due elettroni. Anche in questo caso, non sono apparsi segnali e i ricercatori hanno stabilito che questi decadimenti sono ancora più rari, avvenendo meno di alcune volte ogni milione di tentativi per i mesoni più leggeri e meno di due volte ogni miliardo per quelli più pesanti.

La ricerca si è rivolta anche alla violazione del numero barionico, specificamente cercando un fenomeno in cui un barione lambda si trasforma spontaneamente nel suo gemello di antimateria, un anti-lambda, e viceversa. Questa oscillazione romperebbe la regola per cui materia e antimateria sono distinte e conservate separatamente. Il team ha analizzato lo stesso enorme dataset di collisioni per trovare eventi in cui lo stato finale suggerisse che tale inversione fosse avvenuta. Non hanno trovato zero istanze di ciò che accadeva. In base all'assenza di qualsiasi segnale, hanno determinato che, se tale oscillazione avviene, deve accadere meno di una volta ogni milione di tentativi. Questo risultato stabilisce un limite più stretto su quanto velocemente tale trasformazione possa avvenire, spingendo il tempo minimo richiesto per l'inversione a essere superiore a tre decimi di microsecondo, una scala temporale incredibilmente veloce ma comunque molto oltre ciò che il Modello Standard permette.

L'esperimento ha anche investigato la violazione del sapore leptonico carico, un processo in cui una particella pesante decade in due diversi tipi di leptoni carichi, come un elettrone e un muone, senza i soliti partner neutrino. Nel Modello Standard, un elettrone e un muone sono famiglie distinte che non si mescolano in questo modo. I ricercatori hanno cercato questo mescolamento nel decadimento della particella psi(3686) e nei decadimenti dei mesoni eta e eta-prime. Nel caso del psi(3686), hanno osservato un manipolo di eventi candidati, ma il numero era coerente con quello che ci si aspetterebbe dal rumore di fondo casuale piuttosto che da un segnale genuino. Per i mesoni eta ed eta-prime, i dati non hanno mostrato alcun eccesso di eventi. Di conseguenza, il team ha concluso che questi decadimenti con cambio di sapore sono estremamente rari, avvenendo meno di una volta ogni dieci milioni o dieci miliardi di tentativi, a seconda della specifica particella. Questi limiti sono significativamente più stretti delle misurazioni precedenti, eliminando efficacemente molti modelli teorici che prevedevano che questi decadimenti fossero più comuni.

Infine, il team ha cercato i decadimenti deboli del charmonium che comportano un cambiamento nel sapore del quark charm, un processo che è fortemente soppresso nel Modello Standard ma che potrebbe essere potenziato dalla nuova fisica. Hanno cercato decadimenti in cui la particella di charmonium si trasforma in un mesone D e altre particelle, o dove emette un fotone o una coppia di muoni. In tutti i canali esaminati, da quelli che coinvolgono un mesone D e un mesone rho a quelli che coinvolgono un mesone D ed un elettrone, non sono stati trovati segnali significativi. I ricercatori hanno stabilito limiti superiori su quanto spesso questi decadimenti possano avvenire, riscontrando che avvengono meno di alcune volte ogni dieci milioni o dieci miliardi di tentativi. Questi risultati forniscono una mappa completa di dove la nuova fisica non si stia nascondendo, costringendo i teorici a raffinare i propri modelli per adattarli a questi vincoli sempre più stretti.

Il lavoro svolto dalla collaborazione BESIII non rivela una nuova particella o una legge di natura infranta, ma compie un compito altrettanto importante per la scienza: traccia un confine più netto attorno a ciò che è possibile. Utilizzando i più grandi campioni di dati charm al mondo, il team ha dimostrato che l'universo è ancora più obbediente al Modello Standard di quanto precedentemente pensato, almeno in questi specifici canali. L'assenza di segnali è un risultato potente, poiché elimina una vasta gamma di possibilità teoriche e guida la ricerca futura verso le poche zone rimanenti dove la nuova fisica potrebbe ancora attendere di essere scoperta. Man mano che vengono raccolti più dati, questi limiti continueranno a stringersi, rivelando una crepa nel modello attuale o spingendo la ricerca della nuova fisica verso frontiere ancora più estreme.