I kaoni sono mesoni caratterizzati dal numero quantico della stranezza. I kaoni neutri secondo il modello standard sono costituiti da miscele simmetriche ed antisimmetriche delle combinazioni di quark down-antistrange e antidown-strange. I kaoni carichi sono mesoni e si ritiene che abbiano una composizione di quark up-antistrange per i kaoni positivi e antiup-strange per i kaoni negativi. Il tempo di decadimento è di circa 10−8 s.
I tempi di decadimento di questo ordine di grandezza indicano un decadimento per interazione debole. Nessuno dei prodotti di decadimento ha un quark strange, violando così la legge di conservazione della stranezza (strangeness) e non possono quindi procedere per interazione forte.
Descrivere i kaoni neutri è molto più complicato. Esistono due versioni di questa particella, con la stessa massa, ma con tempi di decadimento differenti. Il primo si chiama K-zero-breve, l’altro si chiama K-zero-lungo. Queste due particelle sono considerate come combinazioni di quark down-antistrange e antidown-strange rispettivamente. Queste particelle decadono in pioni tramite scambio di due bosoni W.
I kaoni neutri sono importanti, dal punto di vista storico, per il loro ruolo nell’avanzamento della comprensione dei processi che coinvolgono i quark.
Quando Rochester e Butler scoprirono la particella con breve tempo di decadimento ora nota come kaone neutro nel 1946, lo fecero osservando una caratteristica traccia a “V” in una camera a nebbia. Il kaone neutro non lascia tracce nella camera a nebbia, quindi la traccia a “V” del pione rivelava la sua presenza prima del decadimento.
Kaoni e decadimento
Il 28 luglio 2020, in occasione della 40a edizione della International Conference on High Energy Physics, tenutasi a Praga, sono stati presentati, per la prima volta, i risultati di una significativa evidenza sperimentale di un decadimento molto raro, quello del kaone carico in un pione carico e in due neutrini (K+→ π+νν).
La ricerca è stata effettuata nell’ambito della collaborazione CERN NA62, un progetto finanziato in parte dal Science and Technology Facilities Council (STFC) britannico e che coinvolge prevalentemente scienziati del Regno Unito.
Il processo di decadimento è molto importante nella ricerca della fisica avanzata perché è molto sensibile alle deviazioni dalle previsioni teoriche. Ciò significa che il decadimento rappresenta una delle situazioni più interessanti da osservare per quei fisici che sono alla ricerca di evidenze che possano supportare un modello teorico alternativo nel campo della fisica delle particelle.
Il prof. Mark Thomson, fisico delle particelle e responsabile del STFC, afferma che i risultati raggiunti rappresentano un grande progresso perché dimostrano come, con misurazioni ad altissima precisione, il processo analizzato possa condurre a una nuova fisica, che superi il Modello Standard della fisica delle particelle sviluppato negli anni ‘70. Secondo Thomson, è vero che il Modello Standard rappresenta indubbiamente una teoria di successo, ma è anche vero che esso non riesce ancora a spiegare alcuni misteri, come per esempio la materia oscura e le origini dello sbilanciamento tra materia e antimateria nell’universo.
Per questo motivo, i fisici sono continuamente alla ricerca di evidenze che vadano a estendere il Modello Standard, e sicuramente le sperimentazioni su processi molto rari rappresentano un percorso ideale per esplorare queste possibilità.
L’esperimento NA62 è stato progettato e costruito, con un significativo contributo del Regno Unito, con lo scopo preciso di misurare i decadimenti dei kaoni (processi molto rari), utilizzando kaoni prodotti da un singolo fascio di protoni ad alta intensità, creato all’interno dell’acceleratore del CERN.
Questi kaoni vengono ottenuti facendo collidere dei protoni ad alta energia all’interno del Super Proton Synchrotron (SPS) su un bersaglio di berillio allo stato stazionario. In questo modo si crea un fascio di particelle secondarie all’interno del quale sono contenute, e quindi si propagano, circa un miliardo di particelle per secondo, il 6% delle quali sono kaoni. Lo scopo principale del progetto NA62 è quello di misurare con elevata precisione in che modo il kaone carico decade in un pione e in una coppia di neutrino-antineutrino (K+→ π+νν).
Questo particolare processo di decadimento del kaone è chiamato canale dorato, perché non solo è un processo molto raro, ma è anche ampiamente previsto dal Modello Standard. Per i ricercatori, si tratta di un esperimento di notevole importanza, perché per la prima volta si è arrivati a ottenere dei risultati misurabili di questo tipo di decadimento. Esso pertanto può aprire delle strade per identificare delle possibili deviazioni dal Modello Standard. Inoltre, questo processo può permettere di scoprire nuovi modi per comprendere il nostro universo. Infatti, gli strumenti e le tecniche sviluppate nell’ambito del progetto NA62 rappresentano la base per la prossima generazione di esperimenti sui decadimenti dei kaoni.
Il risultato, la cui precisione è stata stimata intorno al 30%, è consistente con quanto previsto dal Modello Standard, anche se lascia aperte diverse ipotesi sull’esistenza di nuove particelle. E comunque è ancora necessario acquisire una rilevante mole di dati per stabilire, in maniera definitiva, se possa esistere o meno una nuova fisica.
L’analisi dei dati di questo processo è iniziata nel 2016, ed è stata coordinata dal Dr. Giuseppe Ruggiero della Lancaster University, il quale ha posto l’attenzione sulla sfida che i ricercatori hanno affrontato nel misurare questo fenomeno. Durante la sperimentazione si è reso necessario sopprimere un’enorme quantità di dati non voluti, e nello stesso tempo mantenere fissa l’attenzione sul debole segnale che si stava cercando. È stato come cercare un ago in un milione di pagliai! L’analisi è stata effettuata utilizzando la tecnica della analisi cieca, così detta perché viene eseguita senza guardare all’interno della regione, scatola cieca, dove si pensa possa trovarsi il segnale.
I dati utilizzati per la ricerca sono stati acquisiti tra il 2016 e il 2018 presso il sito del CERN di Prevessin, in Francia; nella ricerca sono stati coinvolti più di 200 scienziati provenienti da 31 istituti. Nel 2021 inizierà un nuovo periodo di acquisizione di dati che permetterà al progetto NA62 di dare una risposta più chiara sull’eventualità di una nuova fisica.
I risultati
I risultati dell’esperimento provengono da un’analisi dettagliata di dati relativi a 6×10^12 decadimenti della particella kaone. Considerata la rarità del processo misurato, per evitare di incorrere in situazioni che potessero pregiudicare il risultato, il team ha adottato la tecnica della analisi cieca, dove i fisici inizialmente guardano solamente lo sfondo per valutare se la loro comprensione delle varie sorgenti sia corretta.
Solo dopo aver soddisfatto questa condizione, si va a esplorare la regione dei dati dove si aspetta di trovare il segnale. Attraverso questo procedimento di analisi, nell’ambito dei dati raccolti nei due anni di osservazione, sono stati osservati 17 decadimenti K+→ π+νν, con un eccesso rispetto al numero di eventi attesi, che si attestava intorno a 5.3.
Questo eccesso porta alla prima prova di questo processo (con una rilevanza statistica superiore al livello 3 sigma). Il tasso di decadimento, misurato con una precisione del 30%, rappresenta la misurazione più precisa effettuata finora. Il risultato, come detto prima, è in linea con le previsioni del Modello Standard, ma lascia delle porte aperte per nuovi fenomeni fisici.
Saranno, però, ancora necessari molti altri dati per stabilire se esista o meno una nuova fisica.
La probabilità di accadimento di questo processo, chiamata tecnicamente branching ratio (rapporto di ramificazione), per il K+→ π+νν è molto piccola ed è prevista dal Modello Standard della fisica delle particelle con una precisione di (8.4 ± 1.0)x10^-11. Ciò porta a una elevata sensibilità a possibili fenomeni che vanno al di là della descrizione del Modello Standard, rendendo questo particolare decadimento un golden mode, ovvero una delle osservabili più interessanti nell’ambito delle misure di precisione della fisica delle particelle.
Lo studio sperimentale pone comunque una sfida rilevante a causa del bassissimo tasso di decadimento, della coppia di neutrini nello stato finale e dei potenziali processi di fondo. Per le sue caratteristiche, il progetto NA62 dispone di una eccellente sensibilità verso un ampio set di decadimenti di kaoni e di altri processi esotici.
Il progetto NA62 prevede una ripresa di acquisizione di dati per il periodo 2021 – 2024, quando ripartiranno le operazioni del sincrotrone del CERN. In questa nuova fase, i dati verranno acquisiti utilizzando un fascio a intensità più elevata. Il passo successivo sarà quello di raggiungere un decadimento K+→ π+νν con una precisione statistica pari a 5 sigma, seguita dalla misurazione di un tasso di decadimento con una precisione del 10%, cercando di rafforzare i test sul Modello Standard della fisica delle particelle. All’orizzonte della ricerca di una nuova fisica vi è la possibilità di rilevare tassi di decadimenti con una sensibilità inferiore a 10^-11.
Per quanto riguarda una prospettiva a lungo termine, sta iniziando a prendere forma un programma di fascio kaonico ad alta intensità, con l’intenzione di misurare il K+→ π+νν con una precisione ancora più bassa, per affrontare quindi l’analogo decadimento del kaone neutro, KL → π0νν, e raggiungere elevate sensibilità per un ampio raggio di decadimenti kaonici che sono complementari nelle ricerche sui quark beauty.
