LHCb riporta la prima prova di un decadimento che avviene una volta su 10 miliardi di particelle beauty

Una prova, non ancora una scoperta

La collaborazione ha presentato il risultato in un seminario al CERN il 3 novembre. Il CERN lo descrive come la prima prova del decadimento ottenuta da un singolo esperimento.

I soli dati raccolti nel 2024 e nel 2025 hanno prodotto un segnale a 3,0 deviazioni standard, spiega il CERN. Aggiungendo il campione registrato tra il 2011 e il 2018 la significatività è salita a 3,2 sigma. Secondo l'INFN corrisponde a circa una probabilità su 1500 che il segnale sia una fluttuazione del fondo. Il gruppo ha inviato l'analisi a Physical Review X e l'ha pubblicata come arXiv:2611.00230. Cinque sigma è la soglia che i fisici delle particelle richiedono prima di parlare di scoperta. La collaborazione non la rivendica.

La misura mette alla prova il Modello Standard a distanze molto inferiori a quelle che il Large Hadron Collider (LHC) riesce a risolvere direttamente. Una deviazione indicherebbe particelle sconosciute. Finora i numeri concordano con la teoria. Per confermare il decadimento servono cinque sigma. La collaborazione dice che occorrono più dati.

Perché vale la pena inseguire un decadimento su 10 miliardi

Il Modello Standard prevede il decadimento Bd in mu mu. Avviene circa una volta ogni 10 miliardi di particelle beauty.

Il decadimento trasforma una particella beauty in una coppia di muoni. I muoni sono parenti più pesanti dell'elettrone. Nei soli dati nuovi il gruppo ha misurato una frazione di decadimento di circa 1,26 su 10 miliardi, con un'incertezza statistica di circa 0,5. La previsione del Modello Standard è di circa 1,03 su 10 miliardi, e il valore combinato con i dati precedenti è 1,14. Quanto più raro è un decadimento, tanto più è sensibile a particelle troppo pesanti per essere prodotte direttamente nelle collisioni dell'LHC.

Il decadimento sonda un miliardesimo di trilionesimo di metro. I fisici hanno soprannominato quella scala zeptoverse.

I quark beauty esistono solo per circa un trilionesimo e mezzo di secondo. Poi decadono.

Quarantadue anni e un rivelatore aggiornato

La ricerca è iniziata nel 1984. Quell'anno l'esperimento CLEO a Cornell pose il primo limite superiore sul tasso di decadimento.

Un'analisi congiunta di LHCb e CMS nel 2015 ha osservato il decadimento Bs in mu mu. Ha anche rivendicato la prima prova del decadimento Bd in mu mu. Gli aggiornamenti successivi, con i dati raccolti fino al 2018, non hanno confermato quella prova. A cambiare è stato il rivelatore. L'aggiornamento del 2024 permette a LHCb di raccogliere dati a cinque volte il ritmo raggiunto tra il 2010 e il 2018. L'identificazione delle particelle, migliorata, e il machine learning hanno permesso al gruppo di estrarre il segnale dal fondo, afferma il CERN. Il Regno Unito ha dato il maggior contributo nazionale al rivelatore aggiornato, secondo lo UKRI. I suoi componenti sono stati progettati e costruiti nell'arco di più di dieci anni.

Il Vertex Locator è un rivelatore a pixel di silicio assemblato all'Università di Liverpool. Si trova a cinque millimetri dai fasci dell'LHC.

Un gruppo internazionale di 19 persone ha condotto l'analisi. LHCb registra centinaia di milioni di collisioni protone-protone al secondo, un flusso di dati di 4 terabyte al secondo. Distinguere i muoni dal fondo preponderante richiede una precisione estrema, ha detto Marco Santimaria, che ha co-diretto il gruppo.

Anche il decadimento fratello diventa più preciso

La stessa analisi ha misurato il decadimento Bs in mu mu. È la misura più precisa finora.

Il gruppo ha trovato una frazione di decadimento di 3,31 per miliardo, contro una previsione del Modello Standard di 3,66 per miliardo. Il decadimento Bs in mu mu avviene circa tre volte per miliardo di decadimenti di particelle beauty. Questo rende il Bd in mu mu circa trenta volte più raro. I ricercatori hanno anche misurato la vita media efficace del Bs in questo decadimento: 1,42 picosecondi, con un'incertezza statistica di 0,18. Combinata con i dati LHCb precedenti, la cifra della vita media è 1,60 picosecondi.

Cosa succede adesso

L'High Luminosity LHC dovrebbe entrare in funzione nel 2030. I 28 paesi coinvolti hanno concordato un aggiornamento del rivelatore da 150 milioni di sterline che aumenterebbe di dieci volte la frequenza di questi decadimenti, ha riferito la BBC. L'anno scorso UK Research and Innovation (UKRI) ha annunciato il ritiro della propria quota per quell'aggiornamento. Tim Gershon, che guida la collaborazione internazionale LHCb, ha detto alla BBC News che la piena partecipazione del Regno Unito alla ricerca sarebbe in dubbio.

«Il Regno Unito rischia di restare fuori e di non fare scoperte davvero importanti», ha detto Gershon. Ha parlato alla BBC News.

Chris Parkes dell'Università di Manchester ha guidato la collaborazione. L'ha guidata durante la costruzione dell'aggiornamento. Ha detto che il gruppo sta pianificando un esperimento per sfruttare l'High Luminosity LHC.