nuova fisica

Questa settimana si tiene a Parigi l'Hadron Collider Physics Symposium, o HCP per gli amici. È una conferenza importante, che quest'anno ha luogo proprio immediatamente dopo la fine dalla presa dati protone-protone 2011 di LHC. Tutti quanti si aspettano dunque nuovi risultati dagli esperimenti di LHC, magari usando tutta la statistica possibile. In realtà, soprattutto su questo ultimo punto, le speranze saranno probabilmente disattese: per masticare 5 femtobarn inversi ci va tempo, e potete stare certi che non vedremo nessun aggiornamento saliente (per esempio, sulla ricerca dell'Higgs) basato su tutti questi dati prima del Council del CERN a inizio dicembre.

Anche con pochi dati è però possibile tirare fuori risultati intriganti, che è quello che ha fatto LHCb ieri con in annuncio quasi a sorpresa (dico "quasi" perché nei corridoi la voce circolava da un po', sopratutto quando la richiesta di modificare il programma per aggiungere una presentazione non prevista è diventata pubblica). Con questo risultato, LHCb si aggiudica la palma del primo esperimento di LHC ad aver visto un possibile indizio di fisica oltre il Modello Standard. Ma andiamo con ordine (e vi avverto da subito, ci saranno delle formulette!).

LHCb è un esperimento particolare: lavora con le stesse collisioni protone-protone prodotte da LHC che osservano ATLAS e CMS, ma con uno scopo più ristretto e preciso, ovvero studiare in particolare la produzione e il decadimento di particelle che contengano un quark b. Per fare questo LHCb ha una struttura particolare, di cui magari vi parlerò in un'altra occasione: vi basti sapere che il rivelatore è organizzato per misurare con precisioni la formazione di queste particelle, e soprattutto i loro decadimenti. Se LHCb è ottimizzato per misurare le proprietà di mesoni che contengono un quark b, può altrettanto bene misurare le proprietà di produzione e decadimento di mesoni che contengono un quark c, ed è proprio da uno di questi studi che arriva la notizia intrigante.

In che cosa consiste la misura? LHCb ha misurato i tassi di decadimento dei mesoni neutri $D^0$ in coppie di particelle $K$ cariche o di pioni $\pi$ carichi, ovvero questi processi:

$D^0 \to K^+ K^-$ e $\bar{D^0} \to K^+ K^-$

$D^0 \to \pi^+ \pi^-$ e $\bar{D^0} \to \pi^+ \pi^-$

Per capire meglio le formulette li sopra, dobbiamo giocare un po' al meccano (o al Lego, se preferite) con i quark. Prendete carta e penna, e iniziamo. Un mesone $D^0$ è formato da un quark c e un antiquark u ($D^0 = c\bar{u}$, dove la sbarretta sopra un simbolo rappresenta un'antiparticella), l'antiparticella del mesone $D^0$, il $\bar{D^0}$, da un antiquark c e un quark u ($\bar{D^0} = \bar{c}u$). Un mesone $K^-$ è formato da un quark s e un antiquark u, un pione $\pi^-$ da un quark d e un antiquark u. Che cosa avete imparato fino ad adesso? Che i mesoni sono particelle formate da un quark e un antiquark, e che, per sapere da cosa è formata l'antiparticella di un mesone, basta costruirla prendendo al posto del quark il suo antiquark, e viceversa. Ce la fate a scrivere da soli la composizione dei mesoni $K^+$ e $\pi^+$? Provate, io ve la scrivo qui sotto, insieme agli altri ingredienti:

$D^0 = c\bar{u}$   $\bar{D^0} = \bar{c}u$

$K^- = s\bar{u}$   $K^+ = \bar{s}u$

$\pi^- = d\bar{u}$   $pi^+ = \bar{d}u$

Come avrete notato, i mesoni $K$ e i pioni $\pi$ si assomigliano molto, semplicemente gli uni hanno al posto di un quark d un quark s.

Dobbiamo a questo punto parlare di una proprietà di simmetria delle interazioni fondamentali, che in gergo chiamiamo "simmetria CP", dove la C sta per Carica, la P per Parità. In sostanza, se una particella guarda se stesso nello specchio della simmetria CP, vede la sua antiparticella. Un processo che rispetti la simmetria CP è dunque un processo che avviene nello stesso modo e nelle stesse quantità tanto per una particella che per la sua antiparticella. Nel caso dei mesoni $D^0$, per esempio, una perfetta simmetria CP implicherebbe che il decadimento $D^0 \to K^+ K^-$ e quello $\bar{D^0} \to K^+ K^-$ avvengano esattamente con lo stesso ritmo. Ovviamente, nella realtà le cose sono sempre più complicate, perché secondo quello che ci dice il Modello Standard i mesoni $D^0$ e $\bar{D^0}$ sono un po' promiscui e tendono a mescolarsi tra di loro, con la conseguenza di violare comunque un pochettino la simmetria CP. Se misuriamo questa quantità:

$A_{\rm CP}(f^+ f^-) = \frac{\Gamma(D^0 \to f^+ f^-) - \Gamma(\bar{D^0} \to f^+ f^-) }{\Gamma(D^0 \to f^+ f^-) + \Gamma(\bar{D^0} \to f^+ f^-) }$

dove il simbolo $\Gamma$ misura quanto spesso avviene quel particolare decadimento, e $f$ può essere tanto un $K$ che un $\pi$, nel caso di una perfetta simmetria CP $A_{\rm CP}(f^+ f^-)$ sarebbe esattamente uguale a 0, mentre il Modello Standard predice qualcosa che oscilla tra 0.01% e o.1% a seconda del teorico a cui chiedete, ma comunque resta un numerello piuttosto piccolo.

I valori di $A_{\rm CP}(K^+ K^-)$ e  $A_{\rm CP}(\pi^+ \pi^-)$ sono già stati misurati da altri esperimenti, e trovati sempre compatibili con zero all'interno delle precisioni sperimentali. Quello che invece LHCb ha fatto è stato misurare la differenza tra queste quantità per i due tipi di mesoni nello stato finale:

$\Delta A_{\rm CP}=A_{\rm CP}(K^+ K^-) - A_{\rm CP}(\pi^+ \pi^-)$

Questa scelta permette di eliminare dalla misura le differenze sperimentali legate ai diversi ritmi di produzione di mesoni $D^0$ e $\bar{D^0}$ nelle collisioni protone-protone a LHC, e - che fortuna! - anche una buona parte degli effetti legati alla piccola rottura della simmetria CP predetta dal Modello Standard. In sostanza, se nel Modello Standard già $A_{\rm CP}(K^+ K^-)$ e $A_{\rm CP}(\pi^+ \pi^-)$ dovrebbero essere piccoli e prossimi allo zero, $\Delta A_{\rm CP}$ dovrebbe esserlo ancora di più. Ed invece LHCb ha misurato un valore di -0.82%, con un errore statistico e sistematico di 0.21% e 0.11% rispettivamente, ovvero qualcosa di significativamente diverso da zero!

Nel grafico qui sopra vedete la banda azzurra che corrisponde alla misura di LHCb con l'incertezza che le corrisponde, confrontata con le misure precedenti della stessa quantità (le altre bande colorate) e con la loro media (indicata a vari livelli di precisione dagli ellissi neri). La misura di LHCb non è incompatibile con la media delle misure precedenti, che già mostravano una certa tensione rispetto al valore nullo aspettato, ma rinforza l'evidenza di qualche altro processo oltre quelli previsti dal Modello Standard a generare questa asimmetria.

Quanto è credibile questo risultato? Da un punto di vista statistico si tratta di un'evidenza solida, ma niente che non potrebbe ridimensionarsi con più dati. LHCb ha analizzato soltanto 580 picobarn inversi, ne ha circa altri 500 a disposizione per raddoppiare la statistica. Nei prossimi mesi sapremo se l'effetto sarà è confermato o meno, e ovviamente con i dati del 2012 si potrà eventualmente aumentare la certezza che si tratti si un fenomeno genuino.

E se fosse vero, di che cosa si potrebbe trattare? Su questo i nostri colleghi teorici stanno in queste ore grattandosi per bene la testa, perché non ci sono molti modelli di fisica oltre il Modello Standard sul mercato che prevedessero un fenomeno simile. In generale, si tratterebbe di ipotizzare la presenza di nuove particelle pesanti che contribuirebbero ai decadimenti in modo asimmetrico. Non è impossibile farlo, e i teorici sono sempre ricchi di risorse. Sento già lo scricchiolare dei gessetti sulle lavagne!

Se il fenomeno fosse confermato, sarebbe la prima evidenza di fisica oltre il Modello Standard evidenziata da LHC, ed è in qualche modo ironico che questa venga da LHCb e non da ATLAS o CMS. Ma, se esperimenti come LHCb possono vedere tracce di nuova fisica in discrepanze rispetto alle predizioni del Modello Standard nelle proprietà di certi processi, l'onere e l'onore della rivelazione diretta dei responsabili di queste discrepanze (per esempio, queste nuove particelle pesanti a cui accennavo prima) resta agli esperimenti come ATLAS e CMS. Staremo a vedere.