OSSERVATI AL CERN CON L’ESPERIMENTO LHCB

Leptoni ribelli sfidano il Modello standard

Osservando il decadimento dei mesoni B in tauoni e muoni, un team di ricercatori di LHC ha rilevato una discrepanza rispetto a quanto previsto dalla cosiddetta “universalità del leptone”. Il risultato, in uscita su Physical Review Letters, suggerirebbe l’esistenza di una nuova fisica

Questo evento, rilevato dall’esperimento LHCb, mostra come le collisioni protone-protone, in corrispondenza nel punto di interazione (a sinistra nell’immagine), producano una pioggia di leptoni e di altre particelle cariche. Le linee gialle e verdi rappresentano le traiettorie, ricostruite al computer, seguite dalle particelle attraverso i vari strati del rivelatore LHCb. Crediti: CERN/LHCb Collaboration

Questo evento, rilevato dall’esperimento LHCb, mostra come le collisioni protone-protone, in corrispondenza nel punto di interazione (a sinistra nell’immagine), producano una pioggia di leptoni e di altre particelle cariche. Le linee gialle e verdi rappresentano le traiettorie, ricostruite al computer, seguite dalle particelle attraverso i vari strati del rivelatore LHCb. Crediti: CERN/LHCb Collaboration

Fortuna che sembrava gli piacesse, il Modello standard, ad LHCb. Appena un mese dopo l’annuncio che una sua misura sulla probabilità d’un quark bottom di trasformarsi in un quark up era perfettamente consistente con il modello così come lo conosciamo, ecco che dallo stesso esperimento – uno dei quattro in funzione al CERN nel tunnel di LHC – emerge un fenomeno che la fisica standard proprio non sa come inquadrare.

Facciamo un piccolo passo indietro. Il Modello standard delle particelle, pur avendo a prima vista – prendiamo l’impressione a prestito dalle Sette brevi lezioni di fisica di Carlo Rovelli – un’aria “rappezzata e raccogliticcia”, è a oggi quanto di meglio abbiamo a disposizione per descrivere in modo sistematico i mattoncini della realtà. Certo qualche lacuna la presenta: per dirne una, quell’80% di materia che chiamiamo “oscura” – e della quale, a parte il fatto che è tanta, sappiamo ancora poco o nulla – continua a non trovare una collocazione. Ma tutto ciò che oscuro non è sembra invece rispettarne a meraviglia l’architettura.

Tutto o quasi. Uno dei peggiori guastafeste è saltato fuori durante alcune misure condotte ad LHC, nel 2011 e nel 2012, per studiare il processo di decadimento del mesone B in leptoni tau e muoni – entrambe particelle molto instabili, a differenza d’un altro leptone a noi ben noto: l’elettrone. Ora, stando a quanto predetto dal Modello standard, gli effetti della forza nucleare debole sui tre tipi di leptoni – elettroni, tauoni e muoni, appunto – dovrebbero essere identici: una caratteristica nota come “universalità del leptone” (lepton universality). Conseguenza di questa universalità è che il decadimento dei mesoni B in leptoni tau e muoni, una volta che si tenga conto della diversa massa delle due particelle, dovrebbe avvenire allo stesso rate. Ed è qui che i fisici del team di LHCb sono incappati in una discrepanza fra osservazioni e teoria: i tassi di decadimento in leptoni tau e in muoni mostrano una leggera – ma significativa – differenza. Una discrepanza, questa, che apre le porte alla possibilità che siano all’opera forze o particelle ancora sconosciute.

«Il Modello standard afferma che il mondo interagisce con tutti leptoni allo stesso modo. C’è dunque democrazia, ma non vi è alcuna garanzia che questo continui a rimanere vero anche nel caso in cui scoprissimo nuove particelle o nuove forze», spiega uno dei quasi settecento fisici della collaborazione, Hassan Jawahery, dell’Università del Maryland (Stati Uniti). «L’universalità del leptone è parte integrante del Modello standard. Se questa universalità viene meno, possiamo affermare d’aver trovato prove dell’esistenza di una fisica non standard».

Il risultato, illustrato in un articolo dal titolo impronunciabile in uscita sul numero di Physical Review Letters della prossima settimana, non è del tutto inedito. Qualcosa di analogo era infatti già stato osservato negli Stati Uniti, presso lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), dal team dell’esperimento BaBar. E proprio questa convergenza fra due esperimenti del tutto indipendenti rafforza l’ipotesi che non di effetto strumentale si tratti, bensì di un fenomeno reale.

I costituenti del Modello standard

I costituenti del Modello standard

Ciò nonostante, l’affidabilità che il Modello standard s’è fino a oggi guadagnato sul campo suggerisce ai fisici di evitare conclusioni affrettate: «Benché questi due risultati siano, presi insieme, molto promettenti, i fenomeni osservati non saranno considerati una vera violazione del Modello standard fino a che ulteriori esperimenti non confermeranno le nostre osservazioni», sottolinea con prudenza un altro scienziato del team, Gregory Ciezarek, del National Institute for Subatomic Physics (NIKHEF) olandese.

La speranza dei ricercatori, come sempre da tre anni a questa parte, è che dopo la clamorosa conferma del Modello standard ottenuta, proprio grazie a LHC, con la rilevazione del bosone di Higgs, si possa aprire una nuova fase di osservazioni in grado, questa volta, di colmare quelle lacune che il modello presenta.

«Da qui in avanti, qualunque nuova conoscenza ci aiuterà a saperne di più su come l’universo si è evoluto fino a oggi. Sappiamo per esempio che esistono la materia oscura e l’energia oscura, ma ancora non sappiamo cosa siano né come le si possano spiegare. Quest’ultimo nostro risultato potrebbe essere uno dei tasselli del puzzle», dice Jawahery. «Se riusciremo a dimostrare che esistono particelle e interazioni oltre a quelle previste dal Modello standard, questo potrebbe aiutarci a completare il quadro».