Gli elettroni con "colleghi", altri leptoni, sono uno dei tanti prodotti delle collisioni osservati nell'esperimento LHCb al Large Hadron Collider. Secondo i teorici, alcune di queste particelle possono essere create in processi che si estendono oltre la fisica standard. L'ultima analisi verifica queste previsioni.

Le anomalie osservate nell'esperimento LHCb nel decadimento dei mesoni B nascondono particelle finora sconosciute al di fuori del Modello Standard attualmente valido e ben testato? Per rispondere a questa domanda, i fisici stanno cercando non solo ulteriori segni dell'esistenza di nuove particelle, ma anche per le tracce dei fenomeni che possono verificarsi con esse. Uno dei processi proposti dai teorici che vanno oltre il mondo della fisica conosciuta è la rottura del principio di conservazione del sapore leptone. Questo ipotetico fenomeno è stato al centro dell'interesse di un gruppo internazionale di ricercatori, che comprendeva rappresentanti dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) a Cracovia, Technische Universität di Dortmund (TUD) e Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) di Parigi. Hanno prestato particolare attenzione all'analisi dei dati raccolti nel 2011-12 durante le collisioni di protoni come parte dell'esperimento LHCb al Large Hadron Collider del CERN vicino a Ginevra. I loro risultati sono discussi nel prestigioso Lettere di revisione fisica .

Grazie a decenni di esperimenti e misurazioni effettuate da fisici nucleari e ricercatori sui raggi cosmici, è noto che le particelle di materia sono divise in due famiglie completamente indipendenti:quark e leptoni (con le loro controparti di antimateria). Quark (su, fuori uso, fascino, strano, superiore e inferiore) appaiono sempre in gruppi. I sistemi di due quark sono noti come mesoni, quelli composti da tre quark sono barioni. Questi ultimi includono protoni e neutroni, le particelle che compongono i nuclei atomici. A sua volta, i leptoni includono gli elettroni, muoni, particelle tau e i loro corrispondenti neutrini.

"Le proprietà dei leptoni e dei quark differiscono fondamentalmente. Di conseguenza, entrambi i gruppi di particelle sono descritti utilizzando insiemi di numeri diversi, chiamati numeri quantici. Uno dei numeri quantici usati per descrivere i leptoni è il numero leptonico. Per esempio, ogni elettrone ha un numero di elettroni pari a 1. A sua volta, antimateria controparti di elettroni, cioè positroni, hanno un numero di elettroni di -1, " spiega il dottor Jihyun Bhom (IFJ PAN), l'autore principale dell'analisi. "Ecco come arriviamo al fenomeno chiave per spiegare il significato del nostro lavoro. Sotto il Modello Standard, vale il principio di preservare il numero leptonico. Dice che la somma dei numeri leptonici delle particelle all'inizio e alla fine del processo deve essere sempre la stessa."

Il requisito di preservare il numero leptonico significa che se, Per esempio, due elettroni con un numero di elettroni totale di due partecipano a un'interazione, alla fine del processo anche questo numero sarà due. Nell'esempio presentato, sotto il Modello Standard è possibile produrre due elettroni così come quattro elettroni e due positroni, e così via.

Sia i leptoni che i quark possono essere divisi in tre gruppi chiamati generazioni. L'esistenza dello stesso numero di generazioni di leptoni e quark ha indotto i teorici a supporre che con un'energia sufficientemente alta, leptoni e quark potrebbero "saldarsi insieme" in leptoquark, particelle ipotetiche con le caratteristiche sia dei leptoni che dei quark. Se esistessero, i leptoquark dovrebbero essere particelle instabili con masse molto elevate, paragonabile anche alla massa di un intero nucleo di piombo.

"Nei processi che coinvolgono i leptoquark, i numeri leptonici non sono conservati. La rilevazione di tracce di fenomeni in cui è stato violato il principio di conservazione del numero leptonico sarebbe quindi un passo significativo sulla strada della rilevazione di particelle al di fuori del Modello Standard. In particolare, ci renderebbe più facile interpretare la natura delle anomalie che recentemente sono state sempre più chiaramente visibili nei dati del decadimento dei mesoni B, cioè particelle contenenti il ​​quark down e il quark bottom, " dice il dottor Bhom.

Nelle ultime analisi statistiche si è rivelato necessario utilizzare l'intelligenza artificiale, e non solo una.

"Eravamo interessati ai decadimenti del mesone B che portano alla formazione del mesone K, un muone e un elettrone. Però, si dà il caso che sotto il Modello Standard, una percentuale significativa di decadimenti del mesone B porta esattamente agli stessi prodotti con l'aggiunta di neutrini (questi ultimi non possono essere registrati). Questo enorme sfondo doveva essere eliminato in modo molto preciso dai dati raccolti. Un'intelligenza artificiale era responsabile di questo compito. La seconda si è rivelata necessaria per eliminare i residui di fondo passati attraverso la prima, " spiega il dottor Bhom.

Nonostante l'uso di sofisticati strumenti matematici, i ricercatori dell'IFJ PAN, TUD e CNRS non sono riusciti a rilevare tracce di fenomeni che infrangono la conservazione del numero leptonico. Però, C'è sempre un lato positivo.

"Con una certezza fino al 95% abbiamo migliorato le restrizioni esistenti sulle soluzioni presentate dai teorici per spiegare la presenza di anomalie nel decadimento dei mesoni B di un intero ordine di grandezza. Di conseguenza, siamo i primi ad aver ristretto significativamente l'area della ricerca di teorie che spieghino l'esistenza di queste anomalie utilizzando la nuova fisica, " sottolinea il dottor Bhom.

Se esistono, i processi che infrangono il principio della conservazione del numero leptonico avvengono ovviamente molto meno frequentemente di quanto potrebbe essere previsto dalle più diffuse estensioni del Modello Standard che coinvolgono i leptoquark. Cosa c'è di più, le anomalie nel decadimento dei mesoni B stessi non devono essere associate a nuove particelle. Non si può ancora escludere la possibilità che siano artefatti di tecniche di misurazione, gli strumenti matematici utilizzati o il risultato della mancata considerazione di alcuni fenomeni che si verificano all'interno della fisica attualmente nota. Si può solo sperare che in seguito, analisi già avviate, tenendo conto degli ultimi dati raccolti presso l'LHC, dissiperà finalmente i dubbi sull'esistenza della fisica oltre il Modello Standard entro pochi anni.