La Scienza

Le piccole crepe del modello standard

Alle scale più piccole, tutto nell'universo può essere frammentato in pezzi fondamentali, chiamati particelle. Il modello standard della fisica delle particelle, la teoria che riguarda questi pezzi fondamentali, descrive un piccolo zoo di specie conosciute, che si combinano in diversi modi per costruire tutta la materia che vediamo intorno a noi e per mediare le forze della natura. Eppure i fisici sanno che queste particelle non possono essere tutto quello che c'è: per esempio, non rendono conto della materia oscura e nemmeno dell'energia oscura che sembrano contribuire in modo decisivo alla massa dell'universo.

Ora due esperimenti hanno osservato particelle che si comportano in modi non previsti da leggi note della fisica, suggerendo potenzialmente l'esistenza di qualche nuova specie oltre lo "zoo di particelle" standard. I risultati non sono ancora pienamente confermati, ma molti fisici sono già in fibrillazione per il fatto che due esperimenti basati sulla collisione di diversi tipi di particelle hanno osservato un effetto simile e che un accenno di questo comportamento era già stato osservato nel 2012 in un terzo acceleratore.

"È davvero strano", afferma Mark Wise, fisico teorico del California Institute of Technology, non coinvolto negli esperimenti. "La discrepanza è notevole e sembra reggersi su una base sensata. Probabilmente è la deviazione dal modello standard più evidente che abbiamo mai visto". Trovare una simile crepa nel modello standard è emozionante perché indica un potenziale percorso verso l'espansione del modello oltre le particelle oggi note.

I risultati che hanno fatto sobbalzare sulla sedia più di un fisico sono relativi all'esperimento LHCb del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra, e all'esperimento Belle dell'High Energy Accelerator Research Organization (KEK), in Giappone. Entrambi hanno osservato un eccesso di alcuni tipi di leptoni rispetto ad altri prodotti, quando particelle chiamate mesoni B (costituiti da un quark bottom e un antiquark) decadono. I leptoni sono una categoria di particelle che comprende gli elettroni, e i loro cugini più pesanti, i muoni e i tauoni.

Un principio del modello standard, noto come universalità leptonica, afferma che tutti i leptoni dovrebbero risentire allo stesso modo dall'interazione debole, la forza fondamentale responsabile del decadimento radioattivo. Eppure, tra i prodotti finali del gran numero di decadimenti di mesoni B prodotti nei due esperimenti, sono stati osservati molti più tauoni, mentre in realtà ci si attendeva un pari numero di elettroni, muoni e tauoni (tendendo in debito conto le diverse masse delle particelle).

Collisioni di atomi

LHC fa collidere protoni con protoni, mentre Belle fa scontrare elettroni con le loro controparti di antimateria, i positroni. Tuttavia, entrambe le collisioni talvolta producono mesoni B, permettendo di misurare i prodotti finali quando questi mesoni instabili decadono. In un articolo pubblicato sul numero dell'11 settembre delle "Physical Review letters", il gruppo di LHCb ha annunciato di aver osservato un potenziale eccesso di tau, variabile tra il 25 e il 30 per cento, rispetto alla frequenza prevista dal modello standard. Belle ha osservato un effetto simile, anche se meno pronunciato, nei dati riportati in un articolo in fase di revisione presso la rivista "Physical Review D". I due gruppi di ricercatori hanno reso pubblici i loro risultati a maggio, nel corso della conferenza Flavor Physics & CP Violation 2015, tenutasi a Nagoya, in Giappone.

Un dato interessante è che entrambi i risultati sono in accordo con precedenti risultati del 2012 (ed estesi nel 2013), ottenuti con l'esperimento BaBar dello SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, in California. "Di per sé, né il risultato di Belle né quello di LHCb sono significativamente fuori dal modello standard", sottolinea Tom Browder, dell'Università delle Hawaii, membro del team di Belle e portavoce del successivo progetto Belle II. "Insieme con BaBar, possiamo fare una 'media mondiale (combinando tutti i risultati), che è 3,9 sigma fuori dal modello standard". Il termine sigma si riferisce alla deviazione standard, una misura statistica di una divergenza, e in genere tra i fisici il valore di soglia per poter annunciare una scoperta è di 5 sigma. Anche se non soddisfa questo requisito, una differenza di 3,9 sigma indica che la probabilità che questo effetto avvenga casualmente è solo dello 0,011 per cento.

"Attualmente, abbiamo tre indizi significativi, ma non conclusivi di un effetto molto interessante", commenta Zoltan Ligeti, fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory, non coinvolto negli esperimenti. "Dovremmo conoscere la risposta definitiva in pochi anni", via via che gli esperimenti raccolgono più dati.

Se la discrepanza è reale e non frutto di una fluttuazione statistica, i ricercatori dovranno affrontare una sfida impegnativa: capire che cosa significhi. "Questo effetto in realtà non è del tipo atteso dalla maggior parte dei fisici", aggiunge Ligeti. "Non può trovare spazio facilmente nei modelli più condivisi: in questo senso è sorprendente".

La supersimmetria, per esempio, una delle più accreditate teorie della cosiddetta "nuova fisica", non contempla un effetto del genere. La supersimmetria prevede un mucchio di particelle, non ancora scoperte, speculari a quelle già conosciute. Tuttavia, nessuna delle particelle previste produce facilmente questo tipi di violazione dell'universalità leptonica. "A questo punto non penso che si possa dire che il risultato punta verso la supersimmetria, anche se non necessariamente viola questa teoria", sottolinea Hassan Jawahery, fisico dell'Università del Maryland e membro della collaborazione LHCb.

Tuttavia, se il segnale è reale, probabilmente deve essere coinvolto qualche nuovo tipo di particella. In tutti i decadimenti di mesoni B, a un certo punto viene creata una particella "virtuale" più pesante che però scompare subito: è uno strano fenomeno permesso dalla meccanica quantistica. Nel modello standard, questa particella virtuale è sempre un bosone W (una particella che media la forza debole), che interagisce in modo uguale con tutti i leptoni. Ma se la particella virtuale fosse qualcosa di più esotico, che interagisce in modo differente con i diversi leptoni in funzione delle rispettive masse, alla fine allora potrebbero essere creati più tau, perché sono i leptoni più pesanti (e che potrebbero quindi interagire più intensamente con la particella virtuale).

Un nuovo Higgs o un leptoquark?

Un potenziale candidato al ruolo di nuova particella virtuale è un diverso tipo di bosone di Higgs, più massiccio della particella scoperta da LHC nel 2012. Il bosone di Higgs conosciuto conferisce a tutte le altre particelle la loro massa. Il nuovo Higgs, oltre a essere più pesante, differirebbe da questa particella nota per altri parametri: per esempio, per influire sul decadimento del mesone B, dovrebbe avere una carica elettromagnetica, mentre il bosone di Higgs ne è privo. "Significherebbe che l'Higgs che abbiamo trovato finora non è l'unico responsabile della massa di tutte le particelle", spiega Jawahery. La supersimmetria, in effetti, prevede ulteriori bosoni di Higgs, oltre a quello che conosciamo. Inoltre, nella maggior parte delle formulazioni del modello, queste particelle di Higgs previste non creerebbero una discrepanza così evidente come quella emersa negli esperimenti.

Un'altra opzione è un'ipotetica particella ancora più esotica chiamata leptoquark, mai osservata in natura, composta da un quark e un leptone. Anche questa particella interagirebbe con il tauone più intensamente di quanto non facciano il muone e l'elettrone. "I leptoquark possono emergere in modo naturale in certi tipi di modelli", spiega Ligeti. "Ma non c'è ragione di aspettarsi che siano dotati di una massa piccola, come quella che sarebbe necessaria per spiegare questi dati. Ritengo che attualmente la maggior parte dei fisici teorici non considererebbero questi modelli particolarmente convincenti".

In effetti, tutte le spiegazioni immaginate finora dai fisici teorici lasciano a desiderare per qualche aspetto, e non fanno molto per risolvere i problemi principali della fisica, come la natura della materia oscura e dell'energia oscura. "Non c'è niente di attraente in questi modelli: sono spiegazioni ad hoc di un fenomeno, non ne prevedono altri", spiega Wise. "Ma proprio perché i fisici teorici non sono a loro agio con questo, la natura farà quello che deve".

C'è anche una possibilità, sebbene limitata, che i fisici abbiano fatto qualche errore nel calcolare le previsioni del modello standard, e che quindi le sue regole siano ancora valide. "È possibile, ma calcoli fatti di recente non hanno rivelato alcun problema serio a riguardo", spiega Michael Roney, dell'Università di Victoria, in Canada, portavoce dell'esperimento BaBar. "Si può anche ipotizzare che per gli esperimenti ci sia qualche spiegazione più convenzionale, ma le condizioni sperimentali di LHCb e di BaBar sono molto differenti tra loro. In BaBar, abbiamo continuato ad analizzare i nostri dati in modi diversi, ma l'effetto è sempre presente".

I fisici sono ottimisti sul fatto che il mistero possa essere presto risolto con più dati. Ad aprile LHC ha iniziato a produrre collisioni a energia più elevata, il che per LHCb significa più mesoni B prodotti e più possibilità di studiare la discrepanza. Per Belle, nel frattempo, è in programma un aggiornamento dell'esperimento con un rivelatore migliorato chiamato Belle II, che secondo le previsioni inizierà a raccogliere dati nel 2018. Entrambi gli esperimenti dovrebbero infine trovare più dati per confermare l'effetto, o vederlo attenuarsi, se è una fluttuazione statistica.

"Se c'è effettivamente qualcosa, abbiamo un enorme lavoro davanti a noi nel corso del prossimo decennio, per studiare questo qualcosa ancora più in dettaglio", spiega Jawahery. "Per allora sapremo anche che cosa significa, non solo che esiste".