Una nuova scoperta dell’esperimento LHCb, attivo al CERN di Ginevra, ha portato all’osservazione di un rarissimo tipo di decadimento di una particella subatomica chiamata barione sigma-plus (Σ⁺). Il fenomeno, previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle, è talmente raro da avere una probabilità di accadere pari a una su cento milioni.
Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters, è stato coordinato da Francesco Dettori, professore associato di Fisica sperimentale all’Università di Cagliari e associato INFN, e da Francesca Dordei, docente di ricerca di nuova fisica oltre il modello standard alla magistrale di Fisica e ricercatrice dell’INFN – Sezione di Cagliari, in collaborazione con la sezione INFN di Perugia e l’Università di Santiago de Compostela.
Il decadimento osservato – che trasforma un barione Σ⁺ in un protone, un muone e un antimuone – rappresenta il decadimento più raro mai misurato per questo tipo di particella. I dati raccolti confermano in modo estremamente preciso le previsioni del Modello Standard, la teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali della natura e le particelle che le trasportano.
“Il Modello Standard è oggi la teoria più solida e verificata della fisica delle particelle – spiega Francesca Dordei – ma non riesce ancora a spiegare fenomeni osservati nell’universo, come la materia oscura o il predominio della materia sull’antimateria. Per questo è importante esplorare anche i processi più rari: potrebbero contenere indizi di nuove leggi della fisica”.
L’analisi si è basata su una mole di dati immensa: circa cento milioni di miliardi di collisioni tra protoni raccolte da LHCb tra il 2016 e il 2018. Grazie anche all’uso di tecniche avanzate di machine learning, è stato possibile isolare e studiare circa 250 casi compatibili con il decadimento raro del barione Σ⁺.
“Siamo riusciti a osservare con grande chiarezza un fenomeno previsto dalla teoria ma mai confermato sperimentalmente – sottolinea Francesco Dettori –. È un risultato importante, che rafforza la validità del Modello Standard e dimostra quanto sia ancora efficace cercare segnali di nuova fisica attraverso i decadimenti rari. Esistono molte teorie che estendono il Modello Standard – conclude Dettori – ma non sappiamo quale, se qualcuna, si rivelerà corretta. È per questo che serve una strategia ampia, capace di cogliere ogni possibile segnale fuori dal previsto”.
Le prime indicazioni dell’esistenza di questo decadimento risalgono a vent’anni fa, ma i dati dell’epoca non erano sufficienti a confermarlo. Ora, grazie alla sensibilità e precisione dell’esperimento LHCb, il processo è stato finalmente verificato.
Il gruppo di ricerca dell’Università di Cagliari e dell’INFN Cagliari – attivo nella collaborazione LHCb fin dal 1998 – continuerà a contribuire in prima linea alla ricerca internazionale sui decadimenti rari, uno dei canali più promettenti per esplorare i confini della fisica conosciuta.
