Nucleon decays into three leptons plus a kaon
Questo articolo investiga sistematicamente i decadimenti nucleonici che violano il numero barionico in tre leptoni e un kaone utilizzando la teoria dei campi efficace a bassa energia e la teoria della perturbazione chirale per derivare le larghezze di decadimento, stabilire limiti sperimentali sui tempi di vita parziali e vincolare i coefficienti di Wilson di dimensione 9 sottostanti.
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Nel cuore profondo di ogni atomo giace un piccolo e stabile elemento costruttivo chiamato nucleone. Per decenni, i fisici hanno operato secondo una regola fondamentale: queste particelle sono eterne. Non svaniscono semplicemente o si trasformano in qualcos'altro da sole. Questa stabilità è così profondamente radicata nella nostra comprensione dell'universo che, se un nucleone dovesse mai decadere, frantumerebbe una pietra angolare della fisica moderna, rivelando che la materia stessa non è tanto permanente come pensavamo. Una tale scoperta indicherebbe una forza nascosta o un nuovo tipo di interazione che viola la conservazione del numero barionico, un principio che conta il numero totale di queste particelle pesanti nell'universo. Mentre gli scienziati hanno trascorso anni a cercare modi semplici in cui un nucleone potrebbe decadere, come trasformarsi in una singola particella e un'onda leggera, l'universo potrebbe nascondere trasformazioni più complesse ed esotiche che sono state trascurate fino ad ora.
Un team di ricercatori ha rivolto la propria attenzione a una di queste possibilità trascurate: un nucleone che si frammenta non in due pezzi, ma in quattro. Nello specifico, hanno indagato uno scenario in cui un protone o un neutrone si trasforma in tre particelle leggere note come leptoni e una particella più pesante chiamata kaone. I leptoni includono particelle familiari come elettroni e muoni, nonché fantasmatici neutrini che interagiscono raramente con qualsiasi cosa. Il kaone è una particella a breve durata contenente un quark strano, un tipo di materia che non esiste negli atomi ordinari. I ricercatori hanno utilizzato un quadro matematico chiamato teoria di campo efficace per mappare ogni possibile modo in cui questa frammentazione in quattro parti potrebbe avvenire. Hanno identificato ventisei modalità di decadimento distinte, coprendo ogni combinazione di particelle cariche e neutrini che potrebbero emergere da questo processo, e hanno calcolato quanto sarebbe probabile che ciascuna si verifichi in base alle leggi della fisica da loro proposte.
Per dare un senso a questi complessi calcoli, il team ha dovuto colmare il divario tra il mondo invisibile dei quark e il mondo visibile degli atomi. Hanno tradotto le loro equazioni teoriche in un linguaggio che descrive come protoni e neutroni interagiscono con altre particelle a basse energie. Ciò ha permesso loro di prevedere la velocità con cui questi decadimenti avverrebbero se fossero reali. Con queste previsioni in mano, si sono rivolti al rivelatore Super-Kamiokande in Giappone, un enorme serbatoio d'acqua sepolto in profondità sottoterra che osserva segnali di decadimento del nucleone da anni. Sebbene nessuno avesse mai cercato specificamente questi eventi a quattro particelle, i ricercatori si sono resi conto che i segnali che questi decadimenti lascerebbero dietro di sé — lampi di luce dalle particelle cariche e dai prodotti di decadimento del kaone — sarebbero molto simili ai segnali di altre ricerche più comuni che il rivelatore aveva già eseguito.
Reexaminando i vasti archivi di dati dell'esperimento Super-Kamiokande, il team ha applicato i loro nuovi modelli teorici per vedere se qualcuno degli eventi registrati potesse essere uno di questi decadimenti esotici. Non hanno trovato prove del verificarsi di tali eventi. Invece, hanno usato il silenzio dei dati per stabilire nuovi limiti rigorosi su quanto tempo un nucleone possa sopravvivere prima di poter subire questa specifica trasformazione. La loro analisi ha dimostrato che, se questi decadimenti avvengono, sono incredibilmente rari. I ricercatori hanno calcolato che un nucleone deve vivere per almeno tra 10^31 e 10^34 anni prima di poter decadere in questo modo. Per dare una prospettiva, l'universo ha solo circa 1,4 × 10^10 anni, il che significa che queste particelle sono stabili per un intervallo di tempo così vasto che è difficile da comprendere per la mente umana.
Questi nuovi limiti sono molto più precisi delle stime precedenti, restringendo la finestra in cui questa nuova fisica potrebbe nascondersi. Il team ha poi utilizzato questi limiti di durata per vincolare la forza delle ipotetiche forze che potrebbero causare tale decadimento. Hanno determinato che, se una tale forza esiste, deve operare a una scala di energia di circa 40-200 trilioni di elettronvolt. Questo è un intervallo che è attualmente oltre la portata dei nostri più potenti collisionatori di particelle, suggerendo che la natura stia tenendo questo segreto ben nascosto. Lo studio fornisce una chiara tabella di marcia per i futuri esperimenti, mostrando esattamente quali segnali cercare nei prossimi rivelatori, ancora più grandi, come Hyper-Kamiokande e JUNO. Definendo le firme specifiche di questi decadimenti a quattro corpi, i ricercatori hanno dato alla prossima generazione di scienziati un bersaglio preciso, assicurando che, se l'universo dovesse decidere di rivelare i suoi segreti più elusivi, saremo pronti a riconoscerli.
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