Gli scienziati alla ricerca di prove di una nuova fisica nei processi delle particelle che potrebbero spiegare la materia oscura e altri misteri dell'universo si sono avvicinati di un passo, con il nuovo risultato dell'esperimento NA62 riportato oggi al CERN.

L'esperimento, guidato da un team internazionale di scienziati, dimostra una nuova tecnica che cattura e misura il decadimento ultra raro di una particella subatomica chiamata kaon.

I loro risultati, presentato a un seminario del CERN lunedì 23 settembre, mostrare come misurazioni precise di questo processo potrebbero suggerire una nuova fisica, oltre il Modello Standard sviluppato negli anni '70.

Il Modello Standard è ancora comunemente usato per descrivere le forze fondamentali e gli elementi costitutivi dell'universo ed è una teoria di grande successo, ma ci sono diversi misteri dell'universo che il Modello Standard non spiega, come la natura della materia oscura, o le origini dello squilibrio materia-antimateria nell'universo. I fisici sono alla ricerca di estensioni del Modello Standard in grado di prevedere nuove particelle o interazioni che possano spiegare questi fenomeni.

La nuova misurazione è stata effettuata presso il laboratorio di fisica delle particelle del CERN da un team guidato dall'Università di Birmingham. Lo scopo dell'esperimento, chiamato NA62, è studiare le particelle subatomiche kaoni, contenente il quark strano, e un modo particolare in cui si trasformano in altri tipi di particelle con probabilità di circa 1 su 10 miliardi.

Questo processo è previsto in dettaglio dal Modello Standard con un'incertezza inferiore al 10%, quindi qualsiasi deviazione da quella previsione è un chiaro segno di nuova fisica. Combinando i set di dati 2016 e 2017, il team ha scoperto che la frequenza relativa di questo processo sarebbe al massimo 24,4 su 100 miliardi di decadimenti K+. Questo risultato combinato è compatibile con la previsione del modello standard e consente al team di porre limiti alle teorie oltre il modello standard che prevedono frequenze maggiori di questo limite superiore.

"Questo processo di decadimento del kaone è chiamato il 'canale d'oro' perché la combinazione di essere ultra-raro ed eccellentemente previsto nel modello Standard. È molto difficile da catturare, e rappresenta una vera promessa per gli scienziati alla ricerca di nuova fisica, " spiega la professoressa Cristina Lazzeroni, Professore di Fisica delle Particelle presso l'Università di Birmingham, e portavoce di NA62. "Catturando una misurazione precisa del decadimento possiamo identificare le deviazioni dalla previsione del modello standard. Il nuovo risultato ha ancora statistiche limitate, ma ci ha già permesso di iniziare a mettere dei vincoli su alcuni nuovi modelli fisici".

L'esperimento si è svolto nell'arco di tre anni presso il sito di Prevessin del CERN, in Francia e coinvolge circa 200 scienziati di 27 istituzioni. L'obiettivo era misurare con precisione come la particella di kaone decade in un pione e una coppia neutrino-antineutrino utilizzando il fascio di protoni del Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN. I kaoni vengono creati facendo scontrare protoni ad alta energia dall'SPS in un bersaglio di berillio stazionario. Questo crea un fascio di particelle secondarie che contiene e si propaga quasi un miliardo di particelle al secondo, di cui circa il 6% sono kaoni.

Poiché il processo misurato è così raro, la squadra doveva stare particolarmente attenta a non fare nulla che potesse influenzare il risultato. Per tale motivo, l'esperimento è stato condotto come "analisi alla cieca, " dove i fisici inizialmente guardano solo allo sfondo per verificare che la loro comprensione delle varie fonti sia corretta. Solo una volta che sono soddisfatti di ciò, guardano la regione dei dati in cui dovrebbe essere il segnale. Questa "apertura della scatola cieca" è stata effettuata il 10 settembre alla Conferenza Internazionale sulla Fisica Kaon, KAON2019, tenutosi a Perugia, Italia.

Il professor Lazzeroni ha aggiunto:"Questo è un grande passo avanti per il campo della fisica delle particelle che ci consentirà di esplorare nuovi modi per comprendere il nostro universo. Ciò è stato reso possibile grazie a un enorme sforzo di squadra di tutti gli istituti che collaborano e al supporto continuo di CERN."

L'esperimento analizzerà ulteriori dati presi nel 2018 e li pubblicherà l'anno prossimo. Ci sono anche piani per acquisire più dati per perfezionare la misurazione a partire dal 2021, quando il CERN SPS ricomincerà a funzionare.