Search for the rare decay
Utilizzando un campione di circa 10 miliardi di eventi raccolti dal rivelatore BESIII, i ricercatori hanno cercato il raro decadimento , non hanno trovato alcun segnale significativo e hanno stabilito un nuovo limite superiore sulla sua frazione di branching di con un livello di confidenza del 90%, migliorando i limiti precedenti di oltre un fattore quattro.
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Nel mondo subatomico, le particelle non sono solo minuscoli mattoni costruttivi; sono anche messaggere delle regole più fondamentali dell'universo. Tra queste regole ci sono le simmetrie — schemi nascosti che dettano come le particelle si comportano e si trasformano. Una di queste regole è la coniugazione di carica, o simmetria C, che essenzialmente si chiede: se sostituissi ogni particella in una reazione con il suo gemello di antimateria, le leggi della fisica apparirebbero esattamente le stesse? Per la maggior parte dei processi quotidiani, la risposta è sì. Tuttavia, i fisici sospettano da tempo che la natura possa occasionalmente infrangere questa regola in modi molto specifici e rari. Trovare una tale violazione sarebbe una scoperta monumentale, che suggerirebbe una nuova fisica oltre la nostra attuale comprensione dell'universo.
Due particelle, l'eta e l'eta-prime, si trovano al centro di questa indagine. Sono neutre, il che significa che non portano carica elettrica, e sono composte da un mix di quark, i costituenti fondamentali della materia. A causa della loro composizione unica e delle rigide leggi di conservazione che le governano, queste particelle dovrebbero decadere in modi molto prevedibili. Se decadessero in tre fotoni — particelle di luce — invece dei loro soliti due, ciò segnalerebbe una violazione della simmetria C. Un evento del genere è così improbabile secondo le nostre teorie attuali che trovarlo sarebbe come individuare un singolo, specifico granello di sabbia su una vasta spiaggia, eppure è proprio questo tipo di ricerca dell'ago nel pagliaio che guida la moderna fisica delle particelle.
Un team di ricercatori della Collaborazione BESIII ha compiuto ora un passo enorme in questa ricerca. Utilizzando un gigantesco rivelatore di particelle situato presso l'Istituto di Fisica delle Alte Energie di Pechino, hanno analizzato un dataset colossale contenente oltre dieci miliardi di collisioni di elettroni e positroni. Queste collisioni, che avvengono in una struttura chiamata BEPCII, producono una pioggia di particelle, tra cui il mesone J/psi. I ricercatori si sono concentrati su una specifica catena di eventi: un mesone J/psi che decade in un fotone e una particella eta-prime, seguita dal decadimento di quella particella eta-prime in tre fotoni. Per individuare questo raro evento, il team ha dovuto setacciare una montagna di dati, cercando una firma molto specifica: un lampo di energia proveniente da tre distinti bagliori di luce, senza altre particelle cariche presenti nel mix finale.
La sfida era immensa. Il rivelatore, un cilindro complesso pieno di strumenti sensibili, registra i depositi di energia dalle particelle che vi passano attraverso. Il team ha dovuto filtrare miliardi di eventi di fondo che potevano mimare il loro segnale, come i casi in cui una particella decade in due fotoni e un terzo fotone non correlato viene rilevato nelle vicinanze. Hanno utilizzato sofisticate simulazioni informatiche per comprendere come il loro rivelatore risponderebbe sia al segnale che stavano cacciando, sia al rumore che lo avrebbe oscurato. Applicando filtri rigorosi alla temporizzazione e all'energia dei lampi di luce, e verificando che la massa combinata dei tre fotoni corrispondesse alla massa nota della particella eta-prime, hanno ristretto il campo a un numero gestibile di candidati.
Dopo aver eseguito la loro analisi, i ricercatori non hanno trovato prove del raro decadimento che stavano cercando. I dati non hanno mostato alcun picco significativo nel numero di eventi a tre fotoni che potesse essere attribuito alla rottura delle regole da parte dell'eta-prime. Inveve, i risultati erano coerenti con fluttuazioni casuali del fondo. L'assenza di un segnale è, di per sé, un risultato potente. Ha permesso al team di stabilire un nuovo limite molto più stretto su quanto spesso questo decadimento proibito possa effettivamente accadere. Hanno determinato che, se il decadimento avviene, accade meno di 2,25 volte ogni 100.000 particelle eta-prime prodotte. Questo nuovo limite superiore è più di quattro volte più severo della precedente migliore misurazione, spingendo efficacementamente i confini di ciò che è possibile nel mondo subatomico.
Le implicazioni di questo risultato nullo sono significative per la più ampia ricerca di comprensione dell'universo. Escludendo il decadimento a questo livello di sensibilità, lo studio pone vincoli severi alle teorie che prevedono nuove fonti di violazione della simmetria. Se esiste una nuova fisica che permette all'eta-prime di scindersi in tre fotoni, deve essere ancora più elusiva di quanto precedentemente pensato. Il lavoro dei ricercatori è una testimonianza della potenza della pazienza e della precisione nella scienza; guardando dieci miliardi di eventi e non trovando nulla, hanno avuto successo nel rimuovere uno strato di incertezza, avvicinandoci a un quadro completo di come operano le forze fondamentali della natura.
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