La collaborazione Beijing Spectrometer III (BESIII), un ampio team di ricercatori delle università di tutto il mondo che conducono studi di fisica delle particelle ha recentemente riportato la prima osservazione del decadimento leptonico D+→τ+ντ. Questa osservazione, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , apre la possibilità di ulteriori test di universalità mu/tau nei decadimenti D.

Prima di questo studio, c'era un solo risultato sperimentale relativo allo stesso decadimento leptonico, raccolti da un altro gruppo di ricercatori noto come collaborazione CLEO. La collaborazione CLEO, però, non ha osservato un segnale per D+→τ+ντ ed è stato semplicemente in grado di impostare un limite superiore, che era solo il 20 percento più grande della previsione del modello standard per il tasso di questo decadimento. Nel loro recente studio, la collaborazione BESIII si è prefissata di indagare ulteriormente su questo decadimento, sperando che il loro ampio campione di dati consentisse nuove scoperte.

"Ci siamo resi conto che un risultato nullo sarebbe stato altrettanto (o più) eccitante, perché potrebbe rivelare una nuova fisica oltre il modello standard, "Dottor Hailong Ma, co-convener del gruppo charm BESIII, ha detto a Phys.org. "Ci sono state grandi sfide, però, e anche con ~ 3,6 volte il campione di dati di CLEO sapevamo che avremmo avuto bisogno di una migliore comprensione dei processi in background e del controllo della sistematica sperimentale".

Le annichilazioni elettrone-positrone nel collisore elettrone-positrone BEPCII utilizzato da Ma e dai suoi colleghi all'energia della risonanza psi(3770) producono campioni incontaminati di eventi, ciascuno con un solo mesone D+ e un mesone D-. I ricercatori hanno selezionato eventi in cui il D- è stato completamente ricostruito e testato se il resto degli eventi era coerente con D+→τ+ντ, che fornisce una sola particella carica.

"Anche per questo semplice segnale nell'ambiente pulito BESIII, ci sono processi in background ad alta velocità che possono sommergere il segnale, "Dottor Hajime Muramatsu, un ricercatore dell'Università del Minnesota che ha guidato lo studio, ha detto a Phys.org. "Sopprimendo i due più grandi di questi, D+ -> pi+ pi0 e D+ -> pi+ K_L, era la nostra più grande preoccupazione nella progettazione della nostra misurazione. Questi processi possono essere scambiati per il nostro segnale quando vengono ricostruiti in modo incompleto o non corretto e per la nostra analisi abbiamo ideato due nuovi strumenti per la soppressione dello sfondo".

Uno dei due strumenti per la soppressione dello sfondo ideati dalla collaborazione BESIII comporta l'eliminazione di eventi in cui il momento mancante punta fuori dal rivelatore attivo per evitare di scambiare le particelle in fuga con neutrini non rilevabili. Il momento mancante è calcolato dalle proprietà dell'elettrone annichilante e del positrone, così come le particelle di stato finale rilevate.

Il secondo strumento ideato dai ricercatori, d'altra parte, funziona rifiutando gli eventi di fondo in base ai depositi energetici aggiuntivi che possono produrre nel calorimetro elettromagnetico del loro rivelatore. Questo particolare requisito accetta in modo efficiente eventi di segnale, per cui le uniche particelle in più sono i neutrini che penetrano nel rivelatore senza lasciare traccia.

L'osservazione del decadimento leptonico D+→τ+ντ da parte della collaborazione BESIII colma un'importante lacuna nel modello standard della fisica delle particelle, consentendo nuovi test del modello. Una caratteristica fondamentale del modello standard è "l'universalità dei leptoni, " che impone che l'elettrone, muone e tau si comportano in modo quasi identico in tutte le interazioni.

"Recenti misurazioni dei decadimenti dei mesoni B suggeriscono una possibile violazione dell'universalità dei leptoni, rendendo ancora più interessante eseguire test sui mesoni di fascino D e Ds, "Prof. Ron Poling, un ricercatore dell'Università del Minnesota coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Ci sono molti risultati su Ds+ -> tau+ nu che sono in qualche modo sparsi ma ampiamente coerenti con la previsione del modello standard. Perché D+ -> tau+ nu non era mai stato visto prima, il nostro studio fornisce la prima opportunità di testare l'universalità mu/tau nei decadimenti D".

Il recente studio della collaborazione BESIII dimostra che il tasso di decadimento leptonico D+→τ+ντ è conforme alle aspettative teoriche all'interno dell'incertezza sperimentale, rafforzando così la fiducia nel modello standard. La prima misura di D+→τ+ντ hanno raccolto, sulla base dei dati sull'annientamento di ~3/fb e+e-, è statisticamente limitato (cioè, con un'incertezza statistica relativa del 20% sul tasso di decadimento e sul test di universalità dei leptoni). Nel futuro, set di dati più grandi e statistiche aggiuntive potrebbero aprire la strada a misurazioni più specifiche.

"BEPCII e BESIII stanno pianificando di acquisire più dati nel prossimo futuro e di aggiornare le capacità dell'acceleratore e del rilevatore, "Prof. Changzheng Yuan, portavoce BESIII, ha detto a Phys.org. "Abbiamo proposto di raccogliere 20/fb di dati psi(3770) in futuro, riducendo l'errore statistico relativo per il D+ -> misura di tau+ nu a meno dell'8 percento. BESIII utilizzerà anche questo e grandi campioni di dati ad altre energie per affinare la nostra comprensione di decadimenti simili del mesone Ds e per estendere molte altre indagini sui mesoni incantati, barioni incantati e altri stati."

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