LHC osserva un evento rarissimo, il decadimento del mesone B_s

Per più di 30 anni, i fisici sperimentali hanno cercato il decadimento del mesone B_s in due muoni, i cugini "pesanti" degli elettroni. Si tratta di un evento molto raro, più elusivo del famoso bosone di Higgs, la cui scoperta da parte del Large Hadron Collider (LHC) del CERN è stata celebrata in tutto il mondo nel 2012.

Il Modello Standard della fisica delle Particelle è un sistema molto sofisticato ed elegante che prevede il numero esatto di particelle che i fisici dovrebbero osservare in ogni esperimento. Quando non viene registrato qualcosa di previsto, il modello entra in crisi. In un articolo appena pubblicato su Nature, i ricercatori del CERN sono riusciti a individuare uno dei più rari decadimenti di particelle previsiti - in teoria - dal Modello Standard.

CMS e LHCb, due dei quattro imponenti rivelatori di LHC, cui l’Italia collabora con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sono riusciti a individuare un rarissimo decadimento del mesone B_s, con una significatività statistica di oltre sei deviazioni standard: fuori dal gergo scientifico, questo significa che sono proprio sicuri di averlo osservato.

Ora sono sicuri. Il processo era già stato misurato in passato, sia da CMS sia da LHCb, ma con una minore significatività statistica: adesso, grazie a un’analisi combinata dei loro dati, le due collaborazioni sono riuscite a superare, appunto, la soglia delle sei deviazioni standard e a poter affermare con certezza l’osservazione del raro decadimento.

Grazie all’analisi combinata dei dati (prodotti nelle collisioni tra protoni nel 2011 all’energia di 7 TeV e nel 2012 a 8 TeV), CMS e LHCb hanno studiato il decadimento del mesone B_s (composto di un antiquark beauty e di un quark strange) in una coppia muone e antimuone, come se fossero un unico esperimento, trattando in maniera rigorosa le correlazioni e le incertezze sistematiche.

L’ipotesi che l’osservazione del decadimento sia dovuta a una erronea valutazione dei processi di fondo è, così, inferiore a circa 1 su un miliardo.

Inoltre, CMS e LHCb hanno le prime indicazioni, anche se con precisione minore, di un altro decadimento simile: quello del mesone B_d (in cui al posto del quark strange c’è un quark down) in due muoni. Per ogni miliardo di B_s e ogni 10 miliardi di B_d prodotti a LHC, solo qualcuno decade in una coppia di muoni.

Questione di metodo. «Grazie all’eccellente funzionamento di LHC e alla sensibilità dei nostri esperimenti, è stato finalmente possibile osservare questo processo, raro e determinante», spiega Flavio Archilli, giovane ricercatore al CERN, fra i curatori della combinazione dei risultati.

«Questa accurata combinazione delle misure dei due esperimenti permette di escludere un ampio numero di nuove teorie fisiche che prevedevano un valore superiore a quello del Modello Standard», conclude Archilli.

Nuovi limiti per la Supersimmetria. I fenomeni osservati si sono dimostrati eventi rarissimi, tanto rari quanto previsto dal Modello Standard, la teoria che oggi descrive nel modo più efficace le particelle elementari e le interazioni tra loro. Se esistessero, invece, altre particelle oltre a quelle contemplate dalla nostra attuale teoria, come ad esempio le particelle supersimmetriche, questi decadimenti potrebbero essere, per così dire, facilitati: ci aspetteremmo cioè che più mesoni B decadessero in coppie di muoni.

Il fatto che queste osservazioni siano in buon accordo con il Modello Standard da un lato ci dice che esso si conferma una teoria solida ed efficace, dall’altro, ponendo nuovi e più stringenti limiti su modelli di fisica oltre il Modello Standard, ci costringe ad allargare i nostri orizzonti della ricerca. In particolare, le nuove misure ci raccontano qualcosa sulla vasta classe di estensioni del Modello Standard che prevede l’esistenza di particelle supersimmetriche, suggerendo che il valore delle masse di queste ultime siano maggiori di quanto finora ipotizzato.

«Il risultato ottenuto è molto importante, e conferma ancora una volta le predizioni del Modello Standard» commenta Fabrizio Palla, ricercatore della Sezione INFN di Pisa e responsabile italiano dell'analisi pubblicata. «Adesso, che LHC è ripartito e tra qualche settimana inizierà a lavorare al doppio dell’energia precedente, l'obiettivo si sposta nel migliorare la misura del decadimento, grazie ai nuovi dati che collezioneremo, con la speranza di poter testare ulteriormente le teorie che predicono estensioni del Modello Standard».

Combinare i dati di due esperimenti molto diversi sia per obiettivi scientifici sia per apparati sperimentali, come lo sono CMS e LHCb, è un lavoro complesso perché implica una condivisione di metodi, strumenti e modelli. La pubblicazione di questi risultati quindi non rappresenta solamente una conquista scientifica ma anche un successo di metodo e di collaborazione.