Osservazione di un decadimento raro a CMS

Osservazione di un decadimento raro a CMS
Esperimento CMS, CERN
19 luglio 2013
L’esperimento CMS ha individuato un importante decadimento raro previsto dal
Modello Standard della fisica delle particelle. Dopo circa 25 anni di attese, il 19
luglio alla conferenza EPS-HEP tenutasi a Stoccolma (Svezia) viene dato
l’annuncio dell’osservazione di un particolare decadimento del mesone Bs in una
coppia di muoni.
Per ogni miliardo di mesoni Bs prodotti, ci si aspetta che solo tre all’incirca
decadano in una coppia di “muoni”, particelle simili ad elettroni ma molto più
pesanti. Questi decadimenti sono ideali per la ricerca di nuovi fenomeni: una
deviazione rispetto al tasso di decadimento previsto dal Modello Standard
potrebbe indicare la presenza di fisica ancora sconosciuta (chiamata per
l’appunto “fisica oltre il Modello Standard", oppure fisica "BSM", nella sua
abbreviazione inglese).
L’esperimento CMS misura un tasso di decadimento di 3.0+1.0–0.9 x 10–9 con una
significatività statistica di 4.3 deviazioni standard [1]. Il risultato è compatibile
con la predizione del Modello Standard di 3.60.3 x 10–9. Tale significatività
corrisponde alla probabilità di circa uno su 100000 che il risultato sperimentale
sia causato da una fluttuazione casuale del rumore di fondo.
Figura 1: Un candidato evento Bs→ μμ prodotto nelle collisioni protone-protone a 8
TeV e rivelato dall’esperimento CMS nel 2012.
Alla ricerca dell’ignoto
Benché finora le predizioni del Modello Standard siano state confermate con
estrema precisione dai risultati sperimentali, sappiamo che tale modello è
incompleto. Ad esempio, esso non offre alcuna spiegazione per l’esistenza della
“materia oscura”, un fenomeno comprovato da misure cosmologiche. Altrettanto
ingiustificata rimane la dominanza di materia nell’universo rispetto
all’antimateria. Se i processi di fisica BSM risultano accessibili all'acceleratore di
particelle LHC, esso potrà rivelarli. L'esperimento CMS è alla costante ricerca di
tracce che possano essere collegate a nuovi fenomeni e confermare i modelli
teorici proposti per spiegarli.
Il decadimento dei mesoni B (che includono un quark o antiquark di tipo
"bottom" e un altro quark più leggero) in una coppia di muoni (μ) è un processo
ideale per la ricerca indiretta di fisica BSM. Sia per il mesone B0 (composto di un
antiquark di tipo "bottom" e un quark "down") che per il Bs (composto da un
antiquark "bottom" e un quark "strange") tali decadimenti sono estremamente
rari secondo il Modello Standard. Tuttavia, diverse estensioni del modello
prevedono tassi di decadimento significativamente più elevati o più bassi. Una
misura che si discosti dalle previsioni del Modello Standard per uno dei due
decadimenti, o per entrambi, costituirebbe dunque un segno di fisica BSM. Per
circa 25 anni una dozzina di esperimenti effettuati in diversi acceleratori di
particelle hanno cercato di misurare questo decadimento inafferrabile. In questo
lungo periodo la sensitività degli esperimenti è migliorata di circa quattro ordini
di grandezza, rendendo finalmente accessibili tassi di decadimento simili a quelli
predetti dal Modello Standard. Nel caso del decadimento Bs → μμ l'esperimento
LHCb aveva mostrato una prima prova della sua esistenza nel novembre 2012,
ma con una significatività di 3.5 deviazioni standard.
Figura 2: Sviluppo delle ricerche dei decadimenti dei mesoni Bs e B0 in due muoni. Il
miglioramento della sensitività degli esperimenti è di circa quattro ordini di
grandezza.
Qualche dettaglio in più
La ricerca sperimentale di questi processi rari richiede di identificare un numero
esiguo di eventi di segnale in un moltitudine di eventi di fondo: come già detto,
solo tre decadimenti del mesone Bs su un miliardo producono due muoni, e il
corrispondente tasso di decadimento è ancora più basso nel caso dei mesoni B0.
Il primo ostacolo da affrontare nella ricerca di decadimenti rari è
l'identificazione di potenziali candidati prodotti nell'esperimento CMS
estraendoli nell’enorme numero di collisioni protone-protone. Ogni secondo,
CMS seleziona circa 400 collisioni interessanti, tra cui all'incirca 10 hanno
caratteristiche compatibili con la ricerca del decadimento Bs → μμ. Questi eventi
vengono ulteriormente classificati in base alle proprietà dei due muoni,
eliminando quanto più possibile il fondo e selezionando solo gli eventi di segnale.
Oltre a identificare i due muoni prodotti nel decadimento dei mesoni B, CMS
deve anche stabilire con ragionevole precisione quanti mesoni B sono stati
prodotti in totale. A tal scopo, vengono contati decadimenti di tali mesoni che
avvengono più frequentemente e il cui tasso di decadimento è conosciuto con
precisione.
La prima visita di un ospite atteso
Figura 3: Distribuzione della massa invariante dei due muoni. Le curve violetta e
rossa mostrano rispettivamente i decadimenti del B 0 e del Bs. Le curve tratteggiate
nere e verdi mostrano i diversi tipi di fondo. La curva blu mostra la somma delle
componenti estratte dal fit.
I risultati presentati a Stoccolma si basano su dati raccolti da CMS nel 2011 e
2012, che corrispondono rispettivamente a 4.9 fb–1 e 20.4 fb–1 (femtobarns
inversi [2]). La distribuzione della massa invariante dei due muoni mostra un
eccesso di eventi rispetto ai processi di fondo. Tale eccesso è ricondotto al
decadimento Bs→μμ, e corrisponde ad un tasso di decadimento di 3.0+1.0–0.9x 10–9,
ove l'errore sperimentale riflette la combinazione delle incertezze statistiche e
sistematiche. La misura ha una significatività statistica di 4.3 deviazioni standard.
Un articolo che descrive i risultati in dettaglio è stato inviato alla rivista "Physical
Review Letters".
La misura del tasso di decadimento per il processo Bs → μμ annunciata da CMS è
compatibile con le previsioni del Modello Stadard di 3.60.3 x 10–9, confermando
l'eccezionale solidità di tale modello. CMS ha misurato anche il tasso di
decadimento per il processo B0 → μμ, ma non vi è ancora alcuna evidenza per
tale decadimento. Ad un livello di confidenza statistica del 95% [3], CMS
stabilisce che questo tasso di decadimento è inferiore a 1.1 x 10–9, e anche questo
risultato è in accordo con il Modello Standard.
Figura 4: Contorni a due dimensioni corrispondenti alla significatività delle misure
del tasso di decadimento dei mesoni Bs e B0. I grafici all’interno della figura
mostrano le proiezioni lungo i due assi. Per ogni curva il minimo rappresenta il
valore più probabile del tasso di decadimento. L’intersezione con lo zero dell’asse
delle ascisse corrisponde alla significatività statistica della misura.
E ora in che direzione andiamo?
L'emozione di questa importante misura è accompagnata da un certo disappunto
da chi attendeva segnali di fisica oltre il Modello Standard. Gran parte
dell'interesse nel decadimento Bs→μμ è associato alla capacità di identificare
potenziali crepe nel Modello Standard. Ma l'avventura non è ancora conclusa.
L'acceleratore LHC continuerà a fornire nuovi dati e la precisione con cui CMS e
altri esperimenti misureranno questi tassi di decadimento migliorerà di
conseguenza. Misure più precise saranno utili a ridurre il numero di possibili
estensioni del Modello Standard e potrebbero indicare la strada oltre l'orizzonte
dei fenomeni fisici attualmente osservabili. Inoltre, il prossimo periodo di presa
dati di LHC, previsto per il 2015, fornirà la sensitività richiesta da CMS per
misurare il tasso di decadimento del processo B0→μμ a livelli previsti dal
Modello Standard.
L’osservazione di questo decadimento raro del mesone Bs costituisce una pietra
miliare in un viaggio lungo 25 anni. Sicuramente nel paesaggio della fisica delle
particelle davanti a noi si estende un vasto territorio ancora inesplorato.
Informazioni sull'esperimento CMS
Ulteriori informazioni sull'esperimento CMS sono disponibili sul sito:
http://cern.ch/cms oppure contattando: [email protected].
CMS è uno dei due esperimenti installati presso l'acceleratore di particelle LHC,
costruiti per cercare fenomeni di fisica oltre il modello standard. L'esperimento è
concepito per rivelare un ampio spettro di particelle e fenomeni, generati dalle
collisioni ad alta energia tra protoni o ioni pesanti prodotti al LHC. L'esperimento
aiuterà a dare risposta a domande fondamentali della scienza, come ad esempio
"Di che cosa è fatto l'Universo e quali sono le forze che agiscono al suo interno?"
oppure "Cosa dà massa a tutto ciò che ci circonda?". Oltre a cercare fenomeni
nuovi e sconosciuti, l'esperimento misura le proprietà di particelle già note con
una precisione senza precedenti. Questo tipo di ricerca scientifica non solo
migliora la nostra conoscenza del funzionamento dell'Universo ma, come è già
successo in passato, può condurre allo sviluppo di nuove tecnologie che
cambiano il mondo in cui viviamo.
Il primo progetto dell'esperimento CMS risale al 1992. La costruzione del
gigantesco rivelatore di particelle (con un diametro di 15 metri, lunghezza di 29
m, per un peso totale di 14000 tonnellate) ha richiesto ad una delle più grandi
collaborazioni scientifiche internazionali mai realizzate circa 16 anni di lavoro.
3275 fisici (inclusi 1535 studenti) e 790 ingegneri e tecnici, provenienti da 179
istituti e laboratori di ricerca, distribuiti in 41 paesi in tutto il mondo hanno
lavorato al progetto.
Note
[1] La deviazione standard è un indice di dispersione delle misure sperimentali,
vale a dire è una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una
variabile casuale. In fisica la deviazione standard è spesso chiamata "sigma". Un
elevato valore di sigma corrisponde ad una incompatibilità dei dati con una data
ipotesi. Tipicamente, per una scoperta in fisica delle particelle si richiede di
osservare un effetto pari a 5-sigma o superiore di incompatibilità con la non
esistenza dell'effetto.
[2] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
(in Inglese)
[3] Il livello di confidenza è una misura statistica della percentuale di risultati
che sono attesi in un determinato intervallo di valori. Ad esempio, un livello di
confidenza del 95% indica che il risultato di una misura darà quel valore
statisticamente il 95% delle volte.