LHCb vede il mesone B0 decadere in due muoni a 3,2 sigma

Basta per parlare di prove, non di scoperta.

Secondo la collaborazione LHCb, è la prima volta che un singolo esperimento produce prove di questo decadimento. Per i teorici, una previsione inseguita per quattro decenni ora ha accanto una misura. Un canale a lungo considerato d'oro nella ricerca di nuova fisica è diventato misurabile. Qualsiasi futura discrepanza tra la misura e la previsione indicherebbe particelle oltre il Modello Standard.

Prove, non una scoperta

Sci.News ha riferito il 3 novembre che i nuovi dati da soli danno una significatività di 3,0 deviazioni standard. Combinati con i dati LHCb precedenti, si sale a 3,2. Entrambi i valori restano sotto la soglia di cinque sigma che la fisica delle particelle richiede prima di parlare di scoperta, come hanno osservato l'Università di Liverpool e UKRI. L'INFN lo ha detto in modo più semplice: circa una probabilità su 1.500 che le fluttuazioni del fondo abbiano prodotto il segnale.

L'analisi è stata inviata a Physical Review X. Il Cavendish Laboratory di Cambridge ha guidato il gruppo di analisi. Ha fatto notare che i risultati non sono ancora stati sottoposti a revisione paritaria.

Perché vale la pena inseguire un decadimento raro

I muoni sono i cugini più pesanti dell'elettrone.

La rarità è il punto. Secondo l'Università di Manchester, più un decadimento è raro, più può essere sensibile all'influenza di nuove particelle. Queste particelle potrebbero alterare la frequenza con cui avviene. I quark beauty vengono prodotti in grandi quantità all'LHC ma vivono circa un bilionesimo di secondo e mezzo. I fisici misurano quindi come si disintegrano, non i quark stessi.

La caccia è vecchia. L'esperimento CLEO alla Cornell pose il primo limite superiore sul tasso del decadimento nel 1984, secondo Sci.News.

L'LHC risolve la struttura fino a circa cento zeptometri, afferma Cambridge. Le nuove particelle, se esistono, potrebbero trovarsi a uno zeptometro, un bilionesimo di miliardesimo di metro. LHCb non può vederle direttamente a quella scala. Cerca l'interferenza che tali particelle lascerebbero nei decadimenti rari.

Come è stata fatta la misura

Il rivelatore LHCb aggiornato registra collisioni fino a cinque volte il ritmo precedente. Il campione più grande ha reso possibile l'analisi.

Il gruppo ha combinato i dati del 2024 e del 2025 con le run precedenti dal 2011 al 2018, ha detto UKRI. Ha usato tecniche migliorate di identificazione delle particelle e di machine learning. Queste separano il decadimento dal fondo molto più grande delle collisioni ordinarie. LHCb registra centinaia di milioni di collisioni protone-protone al secondo, un flusso di dati di 4 terabyte al secondo, secondo l'INFN.

Il Vertex Locator, un rivelatore a pixel di silicio assemblato all'Università di Liverpool, si trova a cinque millimetri dai fasci dell'LHC e forma il primo strato del sistema di tracciamento. Permette ai fisici di individuare dove decadono le particelle di breve vita. Circa 20 fisici da Regno Unito, Germania, Italia, Spagna e Paesi Bassi hanno lavorato all'analisi, ha detto Cambridge.

I numeri rispetto al Modello Standard

I nuovi dati danno una frazione di decadimento di circa 1,26 su 10 miliardi, con un'incertezza statistica di circa 0,5 su 10 miliardi. La previsione del Modello Standard è di circa 1,03 su 10 miliardi. Combinata con i dati più vecchi, il valore misurato è 1,14 su 10 miliardi.

Il gruppo ha anche rimisurato un processo fratello, il decadimento del mesone B0s in due muoni, che LHCb aveva osservato per la prima volta nel 2015. Ha trovato una frazione di decadimento di 3,31 su un miliardo contro una previsione di 3,66 su un miliardo. Il gruppo l'ha definita la determinazione più precisa fino a oggi. La vita media effettiva del B0s in quel decadimento è risultata di 1,42 picosecondi con un'incertezza statistica di 0,18. Combinata con i dati precedenti, è di 1,60 picosecondi.

Tutto concorda con il Modello Standard, entro le incertezze.

Cosa servirebbe per chiudere la questione

Più collisioni sono il passo successivo ovvio. L'INFN afferma che il prossimo aggiornamento di LHCb aumenterà il ritmo di raccolta dati di un fattore dieci nel prossimo decennio.

Il professor Chris Parkes dell'Università di Manchester ha guidato la collaborazione durante la costruzione dell'aggiornamento. Ha detto che il gruppo sta pianificando un esperimento per sfruttare l'High Luminosity LHC. Ha anche detto che il Regno Unito ha dato il maggior contributo nazionale al rivelatore aggiornato. È un progetto di quindici anni di una collaborazione di 1.900 membri.

Il dottor Harry Cliff del Cavendish Laboratory di Cambridge ha guidato l'analisi. "Quando abbiamo visto il risultato per la prima volta, è stato un momento davvero emozionante", ha detto, secondo Sci.News. "Vedere qualcosa che la gente cercava da prima che io nascessi è stato un vero privilegio."

Marco Santimaria dell'INFN ha co-guidato il gruppo. "Serve una precisione estrema per distinguere i muoni dal fondo soverchiante", ha detto.

Se il tasso resterà dove è, o si sposterà verso qualcosa che il Modello Standard non sa spiegare, è ora una questione di statistica. La risposta non è ancora arrivata.