E se le probabilità che un evento si verificasse fossero circa una su dieci miliardi? Questo è il caso del decadimento di una particella carica positivamente nota come kaone in un'altra particella carica positivamente chiamata pione e una coppia neutrino-antineutrino. Ancora, un evento così raro, che non è mai stata osservata con certezza, è qualcosa su cui i fisici delle particelle vogliono davvero mettere le mani. La ragione? Il modello standard prevede tali probabilità di uno su dieci miliardi con un'incertezza inferiore al dieci percento. Una deviazione da questa previsione, rivelata da una precisa misurazione del decadimento, potrebbe quindi essere un chiaro indicatore della fisica oltre il Modello Standard.

In un seminario che si svolge oggi al CERN, la collaborazione NA62 riporta un evento candidato di questo decadimento del kaon ultra raro trovato utilizzando un nuovo approccio di "decadimento in volo". Sebbene questo singolo evento non possa essere utilizzato per sondare la fisica oltre il modello standard, dimostra che l'approccio funziona bene e può essere applicato per catturare più eventi nella prossima fase di acquisizione dei dati, che prenderà il via a metà aprile. Il risultato è stato presentato anche all'inizio di questo mese alla conferenza Rencontres de Moriond a La Thuile, Italia.

Per cercare il decadimento del kaon, il team NA62 prima crea fasci ricchi di kaoni sparando protoni ad alta energia dall'acceleratore Super Proton Synchrotron (SPS) in un bersaglio di berillio. La collisione crea un raggio di quasi un miliardo di particelle al secondo, solo il 6% circa dei quali sono kaoni. Prossimo, la squadra invia il raggio attraverso un rivelatore Cherenkov, che identifica positivamente i kaoni dalla radiazione Cherenkov che producono. Un rivelatore di pixel al silicio determina quindi la quantità di moto dei kaoni con una risoluzione temporale di 100 picosecondi. Un dispositivo chiamato inseguitore di paglia, posto all'interno del serbatoio del vuoto, a sua volta misura la quantità di moto delle particelle figlie cariche in cui decadono i kaoni, e un altro rivelatore Cherenkov chiamato RICH determina il tipo di particelle. Altri dispositivi noti come calorimetri rifiutano eventi di fondo indesiderati con fotoni e muoni.

Nella loro analisi dei dati acquisiti nel corso del 2016, il team NA62 ha identificato un evento candidato del decadimento di un kaone con carica positiva in un pione con carica positiva e una coppia neutrino-antineutrino che sfugge inosservato. Il risultato ha permesso ai ricercatori di porre un limite superiore alla frequenza relativa, o "frazione ramificata", del decadimento di 14 su 10 miliardi. Il risultato è compatibile con la previsione del modello standard, che è 8,4 su 100 miliardi (con un'incertezza di 1), ma sono necessari più dati per sondare le teorie al di là del modello standard, che prevedono deviazioni dal valore del modello standard.

Non è la prima volta che si osservano indizi di questo decadimento. Diversi eventi candidati sono stati precedentemente segnalati dall'esperimento E949 e dal suo predecessore E787 al Brookhaven National Laboratory a Long Island, New York. Questi eventi candidati sono stati utilizzati per dedurre una frazione di ramificazione di 17,3 su 100 miliardi (con un'incertezza di circa 11), che è coerente, all'interno di grandi errori, con la previsione del modello standard.

Ma c'è una differenza tra gli esperimenti di Brookhaven e NA62:mentre il primo osservava il decadimento del kaone con le particelle a riposo in un bersaglio, NA62 li osserva mentre le particelle sono in volo all'interno del serbatoio del vuoto. Questo nuovo approccio in volo presenta vantaggi perché offre molto più spazio per il rilevamento e l'immunità agli eventi di fondo.

Il team NA62 prevede di identificare più eventi del raro decadimento del kaone nell'analisi in corso di un set di dati venti volte più grande preso nel 2017, e riprenderà a raccogliere dati a metà aprile per un numero record di 218 giorni. Se tutto va secondo i piani, la collaborazione dovrebbe essere in grado di misurare la frazione ramificata del decadimento con un'incertezza sufficientemente piccola per effettuare un test preciso del Modello Standard.