Nel mondo delle particelle elementari, tracce di una potenziale "nuova fisica" possono essere celate nei processi legati al decadimento dei barioni. L'analisi dei dati dell'esperimento LHCb al Large Hadron Collider eseguita da scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia ha, però, mostrato che uno dei più rari decadimenti di barioni contenenti il ​​quark charm finora non mostra anomalie.

barioni, che sono particelle composite composte da tre quark, può decadere in particelle più leggere. Questi tipi di decadimenti di solito si verificano indirettamente attraverso lo stato intermedio (risonante). Qualche volta, però, il decadimento procede direttamente in un passo (non risonante). Il Modello Standard prevede che alcuni decadimenti barionici non risonanti siano estremamente rari, a seconda del tipo di barione, dovrebbero verificarsi una volta ogni miliardo di casi, o anche meno frequentemente.

"Se la frequenza di alcuni decadimenti non risonanti fosse diversa da quella prevista dal Modello Standard, potrebbe indicare l'esistenza di processi e particelle ancora sconosciuti, e indicare l'esistenza di 'nuova fisica.' Questo è il motivo per cui i decadimenti non risonanti hanno attirato la nostra attenzione per così tanto tempo, " spiega il prof. Mariusz Witek dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

Il prof. Witek ha guidato un gruppo di cinque fisici di Cracovia alla ricerca di decadimenti non risonanti del barione incantato Lambda c nei dati raccolti nel 2011 e nel 2012 dall'esperimento internazionale LHCb al Large Hadron Collider di Ginevra.

Nello studio, i ricercatori si sono concentrati sui barioni Lambda c, cioè particelle fatte di piumino (d), up (u) e charm (c) quark. Il quark top (t) più massiccio decade così rapidamente da non combinarsi affatto con altri quark, quindi non crea barioni, i cui decadimenti possono essere osservati. I decadimenti delle particelle contenenti il ​​secondo quark più grande in termini di massa, la bellezza (b) quark, è già stato analizzato in precedenza, perché i loro decadimenti erano leggermente più facili da rilevare. Il gruppo di Cracovia è stato coinvolto qui e ha contribuito all'osservazione di interessanti deviazioni dalle previsioni teoriche. In questa situazione, solo i decadimenti dei barioni incantati rimasero in gran parte inesplorati.

"Il modello standard prevede che i decadimenti non risonanti dei barioni Lambda c in tre particelle, un protone e due muoni, dovrebbero verificarsi più o meno una volta ogni centinaia di miliardi di decadimenti. Questo è un fenomeno molto più raro dei decadimenti dei barioni contenenti il ​​quark di bellezza. , che siamo stati analizzati in precedenza, " afferma il Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN). "Le misurazioni e le analisi sono ora molto più difficili. Dobbiamo esaminare un gruppo molto più ampio di eventi registrati nell'esperimento LHCb. Però, vale la pena farlo, perché come ricompensa puoi imbatterti in una scia di processi molto più sottili. Se riusciamo ad osservare eventuali incongruenze con le previsioni, questo sarebbe molto probabilmente un segnale di una 'nuova fisica'".

Con fenomeni così rari, la distinzione dei decadimenti non risonanti dei barioni Lambda c dallo sfondo si è rivelata un compito difficile e dispendioso in termini di tempo. Ciò nonostante, i fisici di Cracovia sono riusciti a migliorare fino a 100 volte il limite superiore di frequenza dei decadimenti non risonanti. Si stima che sia meno di uno su centinaia di milioni.

"La presa in considerazione di dati aggiuntivi, compresa la seconda corsa dell'acceleratore LHC, dovrebbe presto migliorare il nostro risultato di un fattore 10. Quindi saremmo molto vicini alle previsioni del Modello Standard. Se una sorta di "nuova fisica" si sta manifestando nei decadimenti dei barioni Lambda c, questa sarà l'ultima occasione per rivelarsi. Attualmente, non c'è la minima traccia di esso, " riassume il prof. Witek.

Durante le analisi, i ricercatori di Cracovia hanno anche osservato decadimenti risonanti, in cui il barione Lambda c è decaduto in un mesone protone e omega. La mancanza di segnali che indicassero ancora un altro percorso di decadimento risonante, in un protone e in un mesone rho, è stata alquanto sorprendente. Però, questo risultato si è rivelato in linea con le previsioni teoriche.