Inclusive weak decays of the $J/\psi$: single-charm decay and weak annihilation

Il mondo subatomico è popolato da particelle troppo piccole per essere viste, eppure seguono regole rigide di interazione che governano il modo in cui la materia si costruisce e cambia. Tra queste particelle ci sono i quark, i mattoni fondamentali che si uniscono per formare particelle più grandi come protoni e neutroni. A volte, quark di tipi diversi si accoppiano per creare particelle pesanti e a breve durata chiamate quarkonia. Una delle più famose di queste è la J/psi, una particella composta da un quark charm e dal suo gemello antimateria, l'anticharm. Per decenni, i fisici hanno saputo che la J/psi è una particella inquieta che solitamente decade rilasciando la sua energia attraverso forze forti o elettromagnetiche, processi che avvengono quasi istantaneamente. Tuttavia, esiste una possibilità molto più rara: la forza debole, responsabile del decadimento radioattivo, può anche causare lo smantellamento della J/psi. Poiché questo decadimento debole è incredibilmente raro rispetto agli altri modi in cui la particella scompare, è stato difficile prevedere esattamente quanto spesso accada o coglierla in flagrante. Comprendere questo processo è importante perché mette alla prova le nostre teorie fondamentali su come i quark si comportano quando sono legati insieme, offrendo uno sguardo sulla sottile interazione tra le forze che tengono unito la materia e le forze che la separano.

Per molto tempo, il modo standard per stimare quanto spesso la J/psi decade tramite la forza debole è stato quello di trattare i suoi due quark interni come se fossero passeggeri indipendenti in un'auto, ognuno in attesa di scendere da solo. In questa vecchia visione, il quark charm decadrebbe da solo, e l'anticharm farebbe lo stesso, con il tasso totale che è semplicemente la somma di questi due eventi separati. Questo approccio suggeriva che la J/psi decadrebbe debolmente circa una volta ogni cento milioni di tentativi. Tuttavia, questo semplice quadro ignora il fatto che i due quark sono strettamente legati e possono interagire direttamente tra loro. Un nuovo studio condotto dai ricercatori dell'Istituto Superiore di Studi di Hangzhou sfida questo vecchio stimato guardando alla J/psi non come a due parti separate, ma come a un sistema unico e unificato dove i quark possono annichilirsi a vicenda. Utilizzando uno strumento matematico sofisticato noto come teorema ottico, che permette ai fisici di calcolare il tasso totale di tutti i possibili esiti di decadimento in un colpo solo, il team ha costruito un quadro molto più completo di ciò che accade all'interno della particella.

I ricercatori hanno scoperto che il vecchio metodo di sommare i decadimenti indipendenti tralascia la parte più significativa della storia. In realtà, il charm e l'anticharm possono incontrarsi e distruggersi a vicenda, un processo chiamato annichilazione di coppia, che apre un vasto numero di nuovi modi per la scomparsa della particella. Questa annichilazione non è un singolo evento, ma un'interazione complessa che coinvolge diversi tipi di portatori di forza. Lo studio rivela che il modo dominante in cui la J/psi decade debolmente è in realtà attraverso questa annichilazione, specificamente attraverso un meccanismo che coinvolge la corrente neutra, dove i quark scambiano un bosone Z, una particella pesante che trasporta la forza debole ma non cambia la carica elettrica delle particelle coinvolte. Questo contributo della corrente neutra è così grande da oscurare il semplice decadimento dei singoli quark. Inoltre, i ricercatori hanno calcolato come i diversi modi in cui i quark interagiscono interferiscano tra loro, scoprendo che l'interazione tra le forze cariche e quelle neutre crea un equilibrio delicato che è altamente sensibile alla scala di energia alla quale viene eseguito il calcolo.

Quando il team ha combinato tutti questi effetti — i decadimenti indipendenti, l'annichilazione e l'interferenza tra di essi — è arrivato a una nuova previsione su quanto spesso la J/psi dovrebbe decadere debolmente. Il loro calcolo suggerisce che la frazione di branching, ovvero la probabilità che questo specifico decadimento avvenga rispetto a tutti gli altri modi in cui la particella può decadere, è approssimativamente pari a 7,96 volte dieci alla potenza negativa otto. Questo numero è leggermente superiore al vecchio stimato di una volta dieci alla potenza negativa otto, ma soprattutto mostra che il processo di annichilazione costituisce circa il 77 percento del tasso totale di decadimento debole. Ciò significa che il vecchio metodo, che guardava solo ai quark che decadono separatamente, stava perdendo la stragrande maggioranza dell'azione. Lo studio ha inoltre suddiviso i risultati per tipologia di particelle prodotte, mostrando che l'esito più comune prevede la creazione di particelle prive di qualsiasi quark charm, un risultato diretto del processo di annichilazione.

I ricercatori sono stati attenti a quantificare quanto siano sicuri di questi numeri. Hanno identificato due fonti principali di incertezza. La prima deriva dalle approssimazioni matematiche utilizzate nel calcolo, che hanno stimato variando la scala energetica del loro modello. Questa variazione ha prodotto un intervallo in cui il valore reale probabilmente risiede, con il limite superiore significativamente più alto del valore centrale a causa della natura sensibile dell'interferenza tra le forze. La seconda fonte di incertezza deriva dalla complessa struttura interna della J/psi stessa, che è difficile da calcolare con precisione. Variando gli input relativi al movimento interno della particella e all'energia di legame, hanno trovato un secondo margine di errore. Anche con queste incertezze, la conclusione rimane robusta: il decadimento debole della J/psi è dominato dall'annichilazione della sua coppia di quark, non dal decadimento indipendente delle sue parti.

Questo lavoro fornisce un bersaglio teorico cruciale per gli sperimentali che cercano questi rari decadimenti. Esperimenti presso strutture come il rivelatore BESIII hanno già raccolto miliardi di particelle J/psi, cercando segni di questi decadimenti deboli, ma finora sono stati solo in grado di stabilire limiti superiori su quanto spesso possano verificarsi. La nuova previsione suggerisce che questi rari eventi stanno accadendo a un ritmo che è entro la portata degli esperimenti attuali e futuri. Se gli sperimentali riusciranno a osservare il decadimento al tasso previsto da questo nuovo calcolo, confermeranno che la nostra comprensione di come i quark pesanti interagiscono e si annichiliscono è corretta. Se troveranno un tasso diverso, potrebbe segnalare la presenza di forze o particelle nuove e sconosciute. Per ora, lo studio si pone come una mappa dettagliata di un angolo nascosto del mondo subatomico, mostrando che anche in una particella ben studiata come la J/psi, esistono ancora profonde interazioni in attesa di essere pienamente comprese. I ricercatori sottolineano che, sebbene il loro calcolo sia un passo avanti importante, non è l'ultima parola; il lavoro futuro dovrà includere correzioni più precise e un esame più approfondito della struttura interna della particella per affinare ulteriormente questi numeri.