Particelle mancine al CERN: la polarizzazione dei fotoni di un bottom quark

Analizzando i dati raccolti dal Large Hadron Collider del CERN, i membri della collaborazione LHCb hanno osservato per la prima volta la polarizzazione del fotone emesso nel decadimento debole di un bottom quark. Si tratta di una evidenza sperimentale molto significativa, in quanto pavimenta la strada a ulteriori misure capaci di andare oltre il puzzle descritto dal Modello Standard delle particelle elementari. L’articolo è disponibile on line su arXiv.org.

Le particelle elementari, come i fotoni, hanno una proprietà chiamata spin. Possiamo immaginare ogni particella come se fosse una piccolissima trottola: il suo spin non è altro che il suo momento angolare, la misura dell’angolo di rotazione della particella. Per i fotoni questa rotazione può darsi in senso orario o antiorario (in termini tecnici si dice che sono sinistrorsi o destrorsi). Detto semplicemente, la misura della sinistrosità e destrosità è chiamata polarizzazione. 

(Credit: CERN/LHC).

Il Modello Standard fornisce una previsione precisa di questo fenomeno. In collaborazione con il gruppo di ricercatori del LHCb, gli scienziati dell’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)  hanno osservato una polarizzazione non nulla, il che significa che il fotone è preferenzialmente sinistrorso oppure destrorso. Questa evidenza sembra però non essere in perfetto accordo con le previsioni del Modello Standard, una teoria che è in grado di descrivere correttamente quasi tutti i fenomeni noti tra le particelle elementari.

Vediamo di capire cosa significa. Il Modello Standard costituisce la teoria delle interazioni fondamentali stabilmente confermata dagli esperimenti finora condotti. Esso suddivide in tre categorie il mondo delle particelle elementari: i leptoni soggetti solo all’interazione elettrodebole, gli adroni soggetti sia all’interazione forte che a quella elettrodebole, i bosoni vettori che sono i messaggeri delle interazioni fondamentali. Accanto a barioni e leptoni esistono anche le rispettive antiparticelle, antibarioni e antileptoni, con massa uguale, ma carica elettrica opposta. 

Mentre i leptoni sono considerati elementari, gli adroni hanno una struttura interna costituita da quark, e si dividono in: barioni (composti da tre quark) e mesoni composti da un quark e un anti-quark. I bosoni mediatori delle forze vengono scambiati fra le altre particelle come previsto dalle teorie di campo quantistiche: comprendono il fotone per l’elettromagnetismo, i bosoni W e Z per la forza debole, i gluoni per la forza forte ed il gravitone per la gravitazione (quest’ultimo non ancora osservato).

La suddivisione delle particelle nel Modello Standard. I sei tipi (o sapori) di quark sono colorati in violetto. Le colonne rappresentano le tre generazioni dei fermioni.(Credit: wikipedia.org).

I quark (che, come i leptoni, sono privi di struttura e, dunque, puntiformi ma hanno massa differente) si dividono in sei tipi o sapori: down, up, strange, charm, bottom e top. Possono trasformarsi cambiando sapore, ad esempio, attraverso il decadimento beta di alcuni atomi instabili. Un altro esempio abbastanza diffuso è la tramutazione di un bottom quark in un strange quark grazie all’emissione di un fotone altamente energetico. In questo secondo caso, il Modello Standard prevede che il fotone debba essere quasi sempre sinistrorso; purtroppo questa polarizzazione del fotone prima d’ora non era mai stata confermata sperimentalmente.

Oggi, il gruppo di ricerca dell’EPFL coordinato da Olivier Schneider ha analizzato i dati registrati nel 2011 e 2012 con il LHC. Misurando una quantità fisica che è proporzionale alla polarizzazione fotone, il gruppo ha scoperto che quando un bottom quark decade in un strange quark emettendo un fotone, il fotone è polarizzato. Questa “osservazione” ha un grado di confidenza abbastanza alto, visto che le probabilità che sia il risultato di un errore statistico è meno di una su tre milioni. 

“La nostra osservazione apre la strada ad un futuro in cui la misura della polarizzazione dei fotoni in questi processi di decadimento potrà essere considerata come un test per il Modello Standard o, equivalentemente, un metro nella ricerca di nuovi effetti fisici” , ha dichiarato Olivier Schneider. “Infatti, se esistono nuove particelle o nuove forze che interferiscono con i processi previsti dal Modello Standard, il fotone emesso non potrà più essere quasi esclusivamente sinistrorso”.

Il risultato è molto importante soprattutto per gli interrogativi che il Modello Standard lascia ancora in sospeso. Sappiamo, ad esempio, che non spiega la gravità e non descrive né motiva la presenza della materia oscura, né dell’energia oscura. Solo il 5% del nostro Universo è fatto della materia descritta dal Modello Standard. Perché, dunque, ha vinto la materia ordinaria pur essendo la materia oscura così elevata sul piano quantitativo? La presenza di quest’ultima è solo dedotta e inferita dagli effetti gravitazionali che ha sulla materia ordinaria, ma il Modello Standard non riesce a pronunciarsi.