Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive le proprietà e le interazioni dei costituenti della materia. Lo sviluppo di questa teoria iniziò nei primi anni '60, e nel 2012 l'ultimo pezzo del puzzle è stato risolto dalla scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC) al CERN in Svizzera. Gli esperimenti hanno confermato più volte le previsioni molto accurate del Modello Standard.

Ancora, i ricercatori hanno motivo di credere che la fisica al di là del Modello Standard esista e debba essere trovata. Ad esempio, il Modello Standard non spiega perché la materia domini sull'antimateria nell'universo. Inoltre, non fornisce indizi sulla natura della materia oscura, la sostanza invisibile che è cinque volte più diffusa della materia normale che osserviamo.

In questo Q&A, la fisica delle particelle Vera Lüth discute i risultati scientifici che potenzialmente alludono alla fisica oltre il Modello Standard. Il professore emerito di fisica sperimentale delle particelle presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia è coautore di un articolo di revisione pubblicato oggi su Natura che riassume i risultati di tre esperimenti:BABAR allo SLAC, Belle in Giappone e LHCb al CERN.

Quali sono gli indizi di nuova fisica che descrivi nel tuo articolo?

I suggerimenti provengono da studi di una particella elementare, noto come mesone B - una particella instabile prodotta nella collisione di potenti fasci di particelle. Più precisamente, questi studi hanno esaminato i decadimenti del mesone B che coinvolgono i leptoni - particelle elementari caricate elettricamente e i loro neutrini associati. Ci sono tre leptoni carichi:l'elettrone, un componente critico degli atomi scoperto nel 1897; il muone, osservato per la prima volta nei raggi cosmici nel 1937; e la tau molto più pesante, scoperto presso l'anello di accumulo di elettroni-positroni (e+e-) SPEAR a SLAC nel 1975 da Martin Perl.

A causa delle loro masse molto diverse, i tre leptoni hanno anche vite molto diverse. L'elettrone è stabile, considerando che il muone e il tau decadono in una questione di microsecondi e una frazione di picosecondo, rispettivamente. Un presupposto fondamentale del Modello Standard è che le interazioni dei tre leptoni carichi siano le stesse se si tiene conto delle loro diverse masse e tempi di vita.

Per molti anni, diversi esperimenti hanno testato questa ipotesi – denominata “universalità leptonica” – e ad oggi non è stata osservata alcuna violazione definita di questa regola. Ora abbiamo indicazioni che le velocità dei decadimenti del mesone B che coinvolgono i leptoni tau sono maggiori del previsto rispetto alle velocità misurate dei decadimenti che coinvolgono elettroni o muoni, tenendo conto delle differenze di massa. Questa osservazione violerebbe l'universalità dei leptoni, un presupposto fondamentale del Modello Standard.

Cosa significa concretamente una violazione del Modello Standard?

Significa che ci sono prove di fenomeni che non possiamo spiegare nel contesto del Modello Standard. Se un tale fenomeno è fermamente stabilito, il Modello Standard deve essere esteso – introducendo nuove particelle fondamentali e anche nuove interazioni relative a queste particelle.

Negli ultimi anni, le ricerche di fenomeni fondamentalmente nuovi si sono basate su misurazioni ad alta precisione per rilevare deviazioni dalle previsioni del modello standard o su ricerche di nuove particelle o interazioni con proprietà diverse da quelle note.

Cosa sono esattamente i BABAR, Esperimenti di Belle e LHCb?

Sono tre esperimenti che hanno sfidato l'universalità dei leptoni.

Belle e BABAR erano due esperimenti specificamente progettati per studiare i mesoni B con una precisione senza precedenti:particelle che sono cinque volte più pesanti del protone e contengono un quark bottom o b. Questi studi sono stati eseguiti su anelli di immagazzinamento e+e- che sono comunemente indicati come fabbriche B e operano a energie del raggio di collisione appena abbastanza alte da produrre una coppia di mesoni B, e nessun'altra particella. BABAR ha operato al PEP-II di SLAC dal 1999 al 2008, Belle alla KEKB in Giappone dal 1999 al 2010. Il grande vantaggio di questi esperimenti è che i mesoni B sono prodotti a coppie, ciascuna decade in particelle più leggere - in media cinque particelle cariche e un numero simile di fotoni.

L'esperimento LHCb continua ad operare al collisore protone-protone LHC con energie che superano quelle delle fabbriche B di oltre un fattore 1, 000. A questa energia superiore, I mesoni B vengono prodotti a una velocità molto maggiore rispetto alle fabbriche B. Però, ad ogni incrocio delle travi, centinaia di altre particelle sono prodotte oltre ai mesoni B. Questa caratteristica complica enormemente l'identificazione dei decadimenti del mesone B.

Per studiare l'universalità dei leptoni, tutti e tre gli esperimenti si concentrano sui decadimenti B che coinvolgono un leptone carico e un neutrino associato. Un neutrino non lascia traccia nel rivelatore, ma la sua presenza viene rilevata come energia e quantità di moto mancanti in un decadimento B individuale.

Quali prove hai finora per una potenziale violazione dell'universalità dei leptoni?

Tutti e tre gli esperimenti hanno identificato decadimenti specifici del mesone B e hanno confrontato i tassi di decadimento che coinvolgono un elettrone o un muone con quelli che coinvolgono il leptone tau di massa più elevata. Tutti e tre gli esperimenti osservano tassi di decadimento superiori al previsto per i decadimenti con tau. Il valore medio dei risultati riportati, tenendo conto delle incertezze statistiche e sistematiche, supera le aspettative del Modello Standard di quattro deviazioni standard.

Questo miglioramento è intrigante, ma non ritenuto sufficiente per stabilire inequivocabilmente una violazione dell'universalità dei leptoni. Per rivendicare una scoperta, i fisici delle particelle generalmente richiedono un significato di almeno cinque deviazioni standard. Però, il fatto che questo miglioramento è stato rilevato da tre esperimenti, operanti in ambienti molto diversi tra loro, merita attenzione. Tuttavia, saranno necessari più dati, e sono attesi in un futuro non troppo lontano.

Qual è stato il tuo ruolo in questa ricerca?

In qualità di coordinatore tecnico della collaborazione BABAR durante la costruzione del rivelatore, Ero il collegamento tra i fisici e le squadre di ingegneri, supportato dal team di gestione del progetto BABAR presso SLAC. Con più di 500 membri BABAR da 11 paesi, questo era un compito impegnativo, ma con l'esperienza combinata e la dedizione della collaborazione il rivelatore è stato completato e pronto a raccogliere dati in quattro anni.

Una volta disponibili i dati, Sono rientrato nel gruppo di ricerca C dello SLAC e ho assunto la guida di Jonathan Dorfan. In qualità di coordinatore del gruppo di lavoro di fisica sui decadimenti B che coinvolgono i leptoni, Ho coordinato varie analisi da parte di scienziati di diversi gruppi esterni, tra questi postdoc SLAC e dottorandi, e ha contribuito a sviluppare gli strumenti di analisi necessari per misurazioni di precisione.

Quasi 10 anni fa, abbiamo iniziato ad aggiornare un'analisi precedente eseguita sotto la guida di Jeff Richman dell'Università della California, Santa Barbara su B decade coinvolgendo i leptoni tau e lo estende all'intero set di dati BABAR. Ciò ha provocato il tasso di decadimento sorprendentemente grande. L'analisi è stata l'argomento della tesi di dottorato del mio ultimo laureando, Manuel Franco Siviglia, che nel corso di quattro anni ha fornito una serie di contributi assolutamente critici che hanno notevolmente migliorato la precisione di questa misurazione, e quindi ne ha accresciuto il significato.

Cosa ti rende entusiasta della fisica delle particelle?

Negli ultimi 50 anni in cui ho lavorato nella fisica delle particelle, Ho assistito a enormi progressi nella teoria e negli esperimenti che hanno portato alla nostra attuale comprensione dei costituenti della materia e delle loro interazioni al livello più fondamentale. Ma ci sono ancora molte domande senza risposta, da quelli molto semplici come "Perché le particelle hanno determinate masse e non altre?" alle domande sulla grande scala delle cose, come "Qual è l'origine dell'universo, e ce n'è più di uno?"

L'universalità dei leptoni è uno dei presupposti fondamentali del Modello Standard. Se fosse violato, devono esistere nuovi processi fisici inaspettati. Questa sarebbe una svolta importante, ancora più sorprendente della scoperta del bosone di Higgs, che si prevedeva esistesse molti decenni fa.

Quali risultati ti aspetti nel prossimo futuro?

In realtà c'è molto da fare sul campo. I ricercatori di LHCb stanno raccogliendo più dati e cercheranno di scoprire se l'universalità dei leptoni è stata effettivamente violata. La mia ipotesi è che dovremmo conoscere la risposta entro la fine di quest'anno. Una conferma sarà un grande evento e attiverà senza dubbio un'intensa ricerca sperimentale e teorica.

Al momento non comprendiamo l'origine del miglioramento osservato. Per prima cosa abbiamo ipotizzato che potesse essere correlato a un partner carico del bosone di Higgs. Sebbene le caratteristiche osservate non corrispondessero alle aspettative, un'estensione del modello di Higgs potrebbe farlo. Un'altra possibile spiegazione che non può essere né confermata né esclusa è la presenza dei cosiddetti lepto-quark. Queste domande aperte rimarranno un argomento molto eccitante che deve essere affrontato con esperimenti e lavoro teorico.

Recentemente, Gli scienziati di LHCb hanno riportato un risultato interessante che indica che alcuni decadimenti di mesoni B includono più spesso una coppia di elettroni che una coppia di muoni. Però, il significato di questa nuova scoperta è solo di circa 2,6 deviazioni standard, quindi è troppo presto per trarre conclusioni. BABAR e Belle non hanno confermato questa osservazione.

Nella fabbrica B di nuova generazione, Super-KEKB in Giappone, il nuovo esperimento Belle II dovrebbe iniziare il suo programma di ricerca decennale previsto nel 2018. I nuovi set di dati molto grandi previsti apriranno molte opportunità per le ricerche di queste e altre indicazioni della fisica oltre il Modello Standard.