Gli scienziati del CERN hanno riportato le loro prime prove significative di un processo previsto dalla teoria, aprendo la strada alla ricerca di prove di nuova fisica nei processi delle particelle che potrebbero spiegare la materia oscura e altri misteri dell'universo.

Oggi la collaborazione CERN NA62, che è in parte finanziato dal Science and Technology Facilities Council (STFC) del Regno Unito e coinvolge un certo numero di scienziati britannici, presentato alla conferenza ICHEP 2020 a Praga la prima significativa evidenza sperimentale per il decadimento ultrararo del kaone carico in un pione carico e due neutrini, (cioè K ⁺ → ⁺ ).

Il processo di decadimento è importante nella ricerca fisica all'avanguardia perché è così sensibile alle deviazioni dalle previsioni teoriche. Ciò significa che è una delle cose più interessanti da osservare per i fisici che cercano prove a sostegno di modelli teorici alternativi nella fisica delle particelle.

Professor Mark Thomson, fisico delle particelle e presidente esecutivo di STFC, ha detto che questo è stato un progresso entusiasmante perché il risultato mostra come misurazioni precise di questo processo potrebbero portare a una nuova fisica, oltre il Modello Standard della fisica delle particelle sviluppato negli anni '70:

"Il Modello Standard descrive le forze fondamentali e gli elementi costitutivi dell'universo. 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 e le origini dello squilibrio materia-antimateria nell'universo.

"I fisici hanno cercato estensioni teoriche al Modello Standard. Le misurazioni di processi ultra-rari forniscono una strada entusiasmante per esplorare queste possibilità, con la speranza di scoprire una nuova fisica oltre il Modello Standard."

I partecipanti britannici a questa ricerca provengono dalle Università di Birmingham, Bristol, Glasgow e Lancaster, e sono stati finanziati da STFC che fa parte di UK Research and Innovation, nonché dalla Royal Society e dal Consiglio europeo della ricerca (CER).

L'esperimento NA62 è stato progettato e realizzato, con un significativo contributo del Regno Unito, specificamente per la misurazione di questi decadimenti di kaon ultra rari, dai kaoni prodotti da un fascio di protoni unico ad alta intensità fornito dal complesso di acceleratori del CERN. I kaoni vengono creati facendo scontrare protoni ad alta energia dal Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN 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. L'obiettivo principale di NA62 è misurare con precisione come la particella di kaone carico decade in un pione e una coppia neutrino-antineutrino. Il Regno Unito ha un forte ruolo di primo piano nel K ⁺ → ⁺ νν analisi del decadimento.

"Questo processo di decadimento del kaone è chiamato il 'canale d'oro' a causa della combinazione di essere sia ultra-raro che ottimamente 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, Fisico delle particelle presso l'Università di Birmingham, e portavoce di NA62.

"Questa è la prima volta che siamo stati in grado di ottenere prove sperimentali significative per questo processo di decadimento. È un momento emozionante perché è un passo fondamentale verso l'acquisizione della misurazione precisa del decadimento e l'identificazione di possibili deviazioni dal modello standard.

"A sua volta, questo ci consentirà di trovare nuovi modi di comprendere il nostro universo. Gli strumenti e le tecniche sviluppate nell'esperimento NA62 porteranno alla prossima generazione di esperimenti sui decadimenti rari del kaon".

Il nuovo risultato misurato con una precisione del 30%, fornisce la misurazione più precisa fino ad oggi di questo processo. Il risultato è coerente con le aspettative del Modello Standard, ma lascia ancora spazio all'esistenza di nuove particelle.

Sono necessari più dati per giungere a una conclusione definitiva sulla presenza o meno di nuova fisica.

STFC Ernest Rutherford Fellow Dr. Giuseppe Ruggiero della Lancaster University è stato il principale analista per questa misurazione dal 2016, e ha contribuito a creare l'esperimento. Egli ha detto:

"L'analisi dei dati dell'esperimento ha rappresentato una vera sfida. Abbiamo dovuto sopprimere un'enorme quantità di dati indesiderati, di circa mille miliardi di volte. E dovevamo farlo senza perdere il minuscolo segnale che volevamo rilevare. Questo è molto più difficile che trovare un ago in un milione di pagliai! Abbiamo usato un metodo chiamato tecnica di analisi cieca. così chiamato, perché l'analisi si fa senza guardare nella regione, o "scatola cieca", dove dovrebbe essere il segnale."

STFC ha anche finanziato due Ernest Rutherford Fellowships, uno all'Università di Liverpool e poi a Lancaster, e uno all'Università di Birmingham. Inoltre, tre studenti di dottorato presso l'Università di Birmingham hanno ricevuto il sostegno di STFC e uno sta ora lavorando come ricercatore post-dottorato al progetto. Tutti e cinque i fisici all'inizio della carriera hanno lavorato al progetto.

I dati utilizzati nella ricerca sono stati presi tra il 2016-2018 presso il sito Prevessin del CERN, in Francia, e la ricerca coinvolge oltre 200 scienziati di 31 istituzioni. Un nuovo periodo di acquisizione dati inizierà nel 2021 e consentirà alla collaborazione NA62 di dare una risposta più definita alla domanda sulla nuova fisica.

Le scoperte

Il nuovo risultato deriva da un'analisi dettagliata dell'intero set di dati NA62 raccolto finora, corrispondente all'esposizione di 6×10 ¹² kaone decade. 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 ne sono soddisfatti, guardano la regione dei dati in cui ci si aspetta che sia il segnale; questa si chiama "analisi cieca". Dopo un'analisi cieca, diciassette K ⁺ → ⁺ νν i candidati sono osservati nei principali dataset raccolti nel 2018, rivelando un significativo eccesso rispetto allo sfondo previsto di soli 5,3 eventi.

Questo eccesso porta alla prima evidenza di questo processo (con una significatività statistica al di sopra del livello "tre sigma"). Il tasso di decadimento, misurato con una precisione del 30%, fornisce la misurazione più precisa fino ad oggi di questo processo. Il risultato è coerente con le aspettative del Modello Standard, ma lascia ancora spazio a nuovi effetti fisici. Sono necessari più dati per giungere a una conclusione definitiva sulla presenza o meno di nuova fisica.

La probabilità che questo processo avvenga, chiamato "rapporto di ramificazione", per l'ultra raro K ⁺ → ⁺ il decadimento è molto piccolo e previsto all'interno del modello standard della fisica delle particelle con un'elevata precisione:(8,4 ± 1,0) × 10 ^-11 . Questo porta ad un'eccezionale sensibilità ai possibili fenomeni oltre la descrizione del Modello Standard, rendendo questo decadimento una "modalità d'oro", cioè uno degli osservabili più interessanti alla frontiera della precisione della fisica delle particelle. Lo studio sperimentale è tuttavia estremamente impegnativo a causa del piccolo tasso, una coppia di neutrini allo stato finale, e enormi potenziali processi in background. Per le sue caratteristiche, l'esperimento NA62 ha un'eccellente sensibilità a una varietà di rari decadimenti del kaone e processi esotici.

La collaborazione NA62 si sta preparando a raccogliere un set di dati ancora più ampio nel 2021-24, quando il CERN SPS riprenderà a funzionare, acquisizione di dati a un'intensità del raggio più elevata con una linea di raggio migliorata e una configurazione del rilevatore. Il prossimo obiettivo è un'osservazione "five sigma" del K ⁺ → ⁺ decadimento, seguita da una misurazione del tasso di decadimento con una precisione del 10%, fornendo così un potente test indipendente del Modello Standard della fisica delle particelle. L'orizzonte di un nuovo programma di fisica con una sensibilità ai tassi di decadimento ben al di sotto del 10 ^-11 livello è ora in vista.

Per il futuro a lungo termine, un programma di fascio di kaon ad alta intensità sta iniziando a prendere forma, con prospettive di misurare il K ⁺ → ⁺ decadimento a qualche % di precisione, per affrontare l'analogo decadimento del kaon neutro, KL → ⁰ , e raggiungere sensibilità estreme ad una grande varietà di rari decadimenti di kaoni che sono complementari alle indagini nel settore dei quark di bellezza.