L'ago nel pagliaio: i mesoni K e il Modello Standard

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 F. Ambrosino    31-08-2020

Il rivelatore NA62 presso il Super-Proto-Sincrotrone del CERN.

L'esperimento NA62 al CERN ha recentemente presentato alla 40a edizione di ICHEP, la conferenza internazionale di fisica delle alte energie, l'evidenza di un rarissimo decadimento. Per la prima volta al mondo il fenomeno in cui un mesone K carico (un adrone instabile con una massa circa la metà di quella di un protone) decade in un pione carico, un neutrino e un antineutrino è stato osservato con un livello di confidenza statistico superiore al 99,9%, a coronamento di oltre cinquanta anni di ricerche da parte di diversi gruppi sperimentali in tutto il mondo. La difficoltà di osservare questo processo nasce dalla sua estrema rarità: poco meno di dieci decadimenti di questo tipo sono attesi ogni cento miliardi di decadimenti del mesone K.

Come mai i fisici hanno scelto di studiare questo specifico processo, tanto elusivo? Il motivo è che, sebbene il Modello Standard riscuota un enorme successo nel descrivere le interazioni fondamentali fino alle scale di energia più alte sondate dai moderni acceleratori, si ritiene che a scale di energia ancora più elevate possano intervenire nuovi fenomeni e nuove interazioni fra le particelle. Gli effetti di questa fisica "oltre il Modello Standard" possono essere visibili, in modo indiretto, anche a scale di energia più basse, perché possono modificare in modo osservabile la probabilità con cui avvengono processi molto rari. Il decadimento del mesone K studiato da NA62 risulta essere uno dei più sensibili a questi effetti, e il suo studio permette quindi di aprire una finestra sulla fisica a scale di energia anche molto più elevate di quelle raggiungibili oggi direttamente con gli acceleratori come il Large Hadron Collider del CERN.

Per realizzare la misura i fisici di NA62 hanno dovuto produrre un enorme numero di mesoni K facendo collidere oltre 2 miliardi di miliardi di protoni, estratti dal Super-Proto-Sincrotrone del CERN, su un bersaglio di berillio. Dopo aver potuto produrre e osservare sperimentalmente (nell'arco degli anni 2016-2018) oltre mille miliardi di decadimenti dei mesoni K, i ricercatori hanno dovuto affrontare il compito di analizzare i dati per distinguere i decadimenti cercati da quelli, decine di miliardi di volte più numerosi, in cui il mesone K decade in altri stati finali: il proverbiale ago nel (gigantesco ...) pagliaio!

La sfida sperimentale è stata resa ancora più impegnativa dal fatto che solo una delle tre particelle prodotte nel decadimento studiato è osservabile (il pione), mentre i neutrini sono "invisibili" perché non interagiscono con il complesso sistema di rivelatori di particelle dell’esperimento. L'analisi dei dati ha permesso di osservare 20 decadimenti (di cui 7 sono il "fondo" residuo non eliminabile dovuto ad altri processi): un risultato che al livello di precisione finora raggiunto è compatibile con le previsioni del Modello Standard.

La collaborazione internazionale NA62 conta circa 200 fisici da 15 nazioni; i fisici italiani, la cui attività è coordinata e finanziata dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sono circa un terzo dei partecipanti all'esperimento e hanno contribuito in modo decisivo sia alla costruzione e alla messa in opera del complesso apparato sperimentale sia all'analisi dei dati raccolti.

I ricercatori di NA62 ricominceranno a prendere dati a partire dalla primavera del 2021, con l'obiettivo di affinare ulteriormente la precisione statistica del risultato e cercare quindi possibili discrepanze con le previsioni del Modello Standard: le sorprese potrebbero essere dietro l'angolo, e la sfida sarà in ogni caso affascinante e stimolante.

Homepage: Particolare della fase di costruzione del rivelatore RICH dell’esperimento NA62. © Cern, Pinzino Jacopo.