Notoriamente, il modello standard descrive solo tre delle quattro forze fondamentali: le interazioni forte, elettromagnetica e debole ma è difficile da conciliare con la nostra migliore spiegazione della gravità, la teoria della Relatività Generale di Einstein. Non ha alcuna spiegazione per la materia oscura che presumibilmente dovrebbe dominare l'Universo e non può spiegare come la materia sia sopravvissuta durante il Big Bang. La maggior parte dei fisici è quindi fiduciosa che ci debbano essere altri ingredienti cosmici ancora da scoprire. Lo studio dei quark beauty è un modo particolarmente promettente per cercare cosa c'è ancora là fuori.

I quark beauty, a volte chiamati quark bottom, sono particelle fondamentali, che a loro volta costituiscono particelle più grandi. Ci sono sei tipi di quark: up, down, strange, charm, beauty/bottom e truth/top. I quark up e down, ad esempio, costituiscono i protoni e i neutroni nel nucleo atomico. I quark beauty, invece, sono instabili, vivono in media solo circa 1,5 trilionesimi di secondo prima di decadere in qualcos’altro e il modo in cui decadono può essere fortemente influenzato dall'esistenza di altre particelle o forze fondamentali.

Un documento uscito a marzo 2021, basato sui dati dell'esperimento LHCb (la "b" sta per "beauty"), uno dei quattro grandi rilevatori situati lungo l’anello di 27 chilometri dell’LHC in corrispondenza di una delle quattro regioni di collisione, ha scoperto che i quark beauty stavano decadendo in elettroni e muoni ma a velocità diverse: il decadimento del muone stava avvenendo solo circa l'85 percento della frequenza del decadimento dell'elettrone. Supponendo che l'osservazione fosse corretta, potrebbe essere spiegata solo ipotizzando che una nuova forza della natura, in grado di attirare elettroni e muoni in modo diverso, stesse interferendo con il decadimento dei quark beauty.

Questo è stato davvero sorprendente perché, secondo il modello standard, il muone è fondamentalmente una copia carbone dell'elettrone, identico in tutto tranne che per essere circa 200 volte più pesante. Ciò significa che tutte le forze dovrebbero attirare elettroni e muoni con uguale frequenza, quando un quark beauty decade in elettroni o muoni tramite la forza debole.

Il risultato ha causato un'enorme eccitazione tra i fisici delle particelle che da decenni cercano qualcosa che vada oltre il modello standard.

La violazione del sapore leptonico

Il CERN aveva dato l'annuncio a marzo.

Il fenomeno in questione è un particolare decadimento dei mesoni B, particelle instabili e composte da due quark, uno più pesante, chiamato quark beauty, e uno più leggero, che troviamo anche nella materia ordinaria come protoni e neutroni.

Il Modello Standard, ideato tra gli anni '50 e '70, ha avuto un enorme successo nello spiegare il comportamento delle particelle subatomiche e di tre delle quattro forze fondamentali che conosciamo. Ma gli scienziati sanno da tempo che, pur essendo quasi infallibile, non è completo. L'obiettivo è dimostrarlo empiricamente e questo è ciò che si fa al CERN, Da quando il Large Hadron Collider è entrato in funzione dieci anni fa, il suo obiettivo principale è stato quello di trovare segnali di una "nuova fisica", cioè osservare fenomeni non previsti dal modello standard delle particelle, oppure verificare fenomeni previsti ma mai dimostrati sperimentalmente.

I mesoni B vengono studiati con l'esperimento LHCb, una delle regioni di collisione lungo l'anello dell'LHC dove i protoni vengono fatti scontrare ad altissime energie centinaia di milioni di volte al secondo per generare un enorme numero di particelle elementari. I quark beauty sono prodotti da queste collisioni, insieme ad elettroni, quark leggeri ed altre particelle.

I dati raccolti dall'esperimento hanno permesso di misurare la frequenza di decadimento dei mesoni B in tre particelle: un kaone e due elettroni oppure un kaone e due muoni (il kaone è un mesone composto da due quark leggeri),  con una precisione mai raggiunta prima. Questi decadimenti, secondo il modello standard, devono avvenire con la stessa frequenza: una proprietà nota come “universalità del sapore leptonico” (elettroni e muoni sono infatti entrambi leptoni ma di “sapore” diverso, ossia diversi numeri quantici, o simmetria). La nuova analisi, invece, ha dimostrato che i due decadimenti non avvengono allo stesso ritmo, in particolare sembra che il decadimento in elettroni sia più frequente di quello in muoni.


Un risultato da prendere con cautela

Gli scienziati sono cauti perché questo risultato è solo un 3-sigma... ma cosa significa?
Un esempio interessate lo spiega.
Supponiamo che vi mettiate a cercare delle fate nel vostro giardino di casa, assumendo che non ce ne siano (ipotesi nulla). Dopo aver raccolto una serie di dati, scoprite che c'è una probabilità del 90% che non ci siano fate nel giardino, conducendo osservazioni come quelle che avete fatto. Questo determina il cosiddetto valore p: ossia la probabilità del 90% (che corrisponde ad un valore p=0,9) di ottenere i dati che effettivamente abbiamo osservato se l'ipotesi nulla fosse vera.
Fondamentalmente ciò ci dice che non abbiamo una ragione del tutto convincente per rifiutare l'idea che il giardino sia privo di fate che, non è la stessa cosa di dire che la nostra ipotesi nulla iniziale è vera.

Il valore p è la probabilità dell'evidenza, data l'ipotesi nulla, che è distinta dalla probabilità che l'ipotesi nulla sia vera data la sua evidenza.

All'LHC, l'ipotesi nulla è l'affermazione che il Modello Standard è corretto e che le osservazioni riguardano le interazioni tra particelle.
Un risultato 3-sigma significa che c'è una probabilità di circa 1 su 1000 che si verifichino osservazioni come quelle raccolte, dato il modello standard. Ma i fisici aspirano a un 5-sigma, che corrisponderebbe a meno di una possibilità su un milione che l'effetto sia dovuto a un crudele colpo di fortuna (più o meno sarebbe come a passeggiare nel giardino di casa chiacchierando con una fata!). Un risultato 3-sigma è degno di nota ma non è ancora una "scoperta".

Ci sono diverse buone ragioni per cui i fisici cercano risultati così stringenti. Prima di tutto perché hanno già pagato lo scotto di affermazioni poi smentite (vedi i neutrini più veloci della luce) e, in secondo luogo c'è il problema che l'LHC produce esperimenti costantemente aumentando la probabilità che qualcosa di strano si verifichi.


Il nuovo risultato

Per essere sicuri che l'effetto sia reale, gli scienziati devono ridurre la dimensione dell'errore e, per farlo, hanno bisogno di più dati. Un modo per arrivarci è eseguire l'esperimento più a lungo e registrare più decadimenti.

L'esperimento LHCb è attualmente in fase di aggiornamento per essere in grado di registrare le collisioni a una velocità molto più elevate in futuro, il che consentirà di effettuare misurazioni molto più precise. Quindi, per ora, i fisici si sono concentrati sui dati già disponibili, cercando tipi simili di decadimenti ma più difficili da individuare.

Lo studio di marzo ha esaminato i quark beauty che erano accoppiati con i quark "up". Il nuovo risultato ha studiato due decadimenti: uno in cui i quark beauty erano accoppiati con quark "down" e un altro in cui erano accoppiati ancora con quark "up". Se là fuori c'è veramente una nuova forza, il diverso abbinamento non dovrebbe fare alcuna differenza. Ed è esattamente ciò che emerso dalle recenti analisi.

Questa volta, i decadimenti del muone si sono verificati solo circa il 70 percento della frequenza rispetto a quelli dell'elettrone ma con un errore maggiore: il risultato è circa 2-sigma (ovvero circa due possibilità su cento di essere un'anomalia statistica). Ovviamente questa conclusione non è abbastanza precisa per rivendicare la presenza di una nuova forza, se presa da sola ma può essere di supporto al risultato precedente e all'idea che potremmo essere sull'orlo di un importante scoperta.

Nel frattempo, altri esperimenti all'LHC, così come l'esperimento Belle 2 in Giappone, si stanno avvicinando alle stesse misurazioni. È emozionante pensare che nei prossimi mesi o anni si possa aprire una nuova finestra sugli ingredienti più fondamentali del nostro Universo.