Gli scienziati del CERN potrebbero aver trovato le prime vere crepe nel Modello Standard, e questa scoperta potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo.

Se confermati, questi indizi ribalterebbero la teoria, chiamata Modello Standard, che ha dominato la fisica delle particelle per 50 anni. I risultati suggeriscono che il comportamento di specifiche particelle subatomiche nell’LHC non è conforme al Modello Standard.

Le particelle fondamentali sono i mattoni più basilari della materia: particelle subatomiche che non possono essere ulteriormente suddivise in unità più piccole. Le quattro forze fondamentali – gravità, elettromagnetismo, forza debole e forza forte – regolano l’interazione tra queste particelle.

L’LHC è un gigantesco acceleratore di particelle costruito in un tunnel circolare lungo 27 km sotto il confine franco-svizzero. Il suo scopo principale è quello di trovare crepe nel Modello Standard .

Questa teoria rappresenta la nostra migliore comprensione delle particelle e delle forze fondamentali, ma sappiamo che non può essere esaustiva. Non spiega la gravità né la materia oscura, quel tipo di materia invisibile e finora non misurata che costituisce circa il 25% dell’universo.

Nell’LHC, fasci di protoni che viaggiano in direzioni opposte vengono fatti collidere, nel tentativo di scoprire indizi di fenomeni fisici ancora sconosciuti. I nuovi risultati provengono da LHCb , un esperimento del Large Hadron Collider in cui queste collisioni vengono analizzate.

Il risultato deriva dallo studio del decadimento – una sorta di trasformazione – di particelle subatomiche chiamate mesoni B. Abbiamo analizzato come questi mesoni B decadono in altre particelle, scoprendo che il modo particolare in cui ciò avviene non concorda con le previsioni del Modello Standard.

una teoria elegante

Il Modello Standard si fonda su due delle scoperte più rivoluzionarie della fisica del XX secolo: la meccanica quantistica e la teoria della relatività ristretta di Einstein.

I fisici possono confrontare le misurazioni effettuate in strutture come l’LHC con le previsioni basate sul Modello Standard per testare rigorosamente la teoria.

Nonostante sappiamo che il Modello Standard è incompleto, in oltre 50 anni di test sempre più rigorosi, i fisici delle particelle non sono ancora riusciti a trovare una falla nella teoria. O almeno, potenzialmente, fino ad ora.

La nostra misurazione, accettata per la pubblicazione su Physical Review Letters , mostra una differenza di quattro deviazioni standard rispetto alle previsioni del Modello Standard.

In termini concreti, ciò significa che, considerando le incertezze derivanti dai risultati sperimentali e dalle previsioni teoriche, esiste solo una probabilità su 16.000 che si verifichi una fluttuazione casuale nei dati di tale entità, qualora il Modello Standard sia corretto.

Sebbene questo risultato non raggiunga lo standard di eccellenza scientifica – noto come cinque sigma , ovvero cinque deviazioni standard (circa una probabilità su 1,7 milioni) – le prove a sostegno di questa tesi stanno iniziando ad accumularsi. A rafforzare questa tesi si aggiungono i risultati di un esperimento indipendente dell’LHC, CMS , pubblicati all’inizio del 2025.

Sebbene i risultati del CMS non siano precisi quanto quelli dell’LHCb, concordano bene, rafforzando la tesi. I nostri nuovi risultati sono stati ottenuti nello studio di un particolare tipo di processo, noto come decadimento elettrodebole di tipo pinguino.

Eventi rari

Il termine “pinguino” si riferisce a uno specifico tipo di decadimento (trasformazione) di particelle a vita breve. In questo caso studiamo come il mesone B decade in altre quattro particelle subatomiche: un kaone, un pione e due muoni.

Con un po’ di immaginazione, si può visualizzare la disposizione delle particelle coinvolte come simile a un pinguino. Fondamentalmente, le misurazioni di questo decadimento ci permettono di studiare come un tipo di particella fondamentale, il quark beauty, possa trasformarsi in un altro, il quark strange.

Questo decadimento a pinguino è incredibilmente raro nel Modello Standard: per ogni milione di mesoni B, solo uno decade in questo modo. Abbiamo analizzato attentamente gli angoli e le energie con cui queste particelle vengono prodotte nel decadimento e abbiamo determinato con precisione la frequenza con cui il processo si verifica. Abbiamo scoperto che le nostre misurazioni di queste quantità non concordano con le previsioni del Modello Standard.

Le indagini precise su decadimenti come questo sono uno degli obiettivi primari dell’esperimento LHCb, fin dalla sua nascita nel 1994. I processi Penguin sono particolarmente sensibili agli effetti di nuove particelle potenzialmente molto pesanti che non possono essere create direttamente all’LHC.

Tali particelle potrebbero comunque esercitare un’influenza misurabile su questi decadimenti, oltre al piccolo contributo del Modello Standard. Questo tipo di osservazione indiretta non è una novità. Ad esempio, la radioattività fu scoperta 80 anni prima che le particelle fondamentali che la determinano (i bosoni W) fossero osservate direttamente.

Direzioni future

I nostri studi sui processi rari ci permettono di esplorare aspetti della natura che altrimenti sarebbero accessibili solo grazie ai collisori di particelle previsti per il 2070. Esiste un’ampia gamma di nuove teorie potenzialmente in grado di spiegare le nostre scoperte. Molte di esse includono nuove particelle chiamate “leptoquark” , che uniscono i due diversi tipi di materia: “leptoni” e “quark”.

Altre potenziali teorie contengono particelle che sono analoghi più pesanti di quelle già trovate nel Modello Standard. I nuovi risultati pongono dei vincoli sulla forma di questi modelli e orienteranno le future ricerche in tal senso.

Nonostante il nostro entusiasmo, rimangono aperti alcuni interrogativi teorici che ci impediscono di affermare con certezza di aver osservato una fisica al di là del Modello Standard. La questione più seria riguarda i cosiddetti “pinguini affascinanti”, un insieme di processi presenti nel Modello Standard, il cui contributo è estremamente difficile da prevedere. Stime recenti di questi pinguini affascinanti suggeriscono che i loro effetti non siano sufficientemente rilevanti da spiegare i nostri dati.

Inoltre, la combinazione di un modello teorico e dei dati sperimentali di LHCb suggerisce che gli affascinanti pinguini (e quindi il Modello Standard) faticano a spiegare i risultati anomali.

I nuovi dati già raccolti ci permetteranno di confermare la situazione nei prossimi anni: nel nostro lavoro attuale abbiamo studiato circa 650 miliardi di decadimenti di mesoni B registrati tra il 2011 e il 2018 per trovare questi decadimenti a forma di pinguino. Da allora, l’esperimento LHCb ha registrato un numero di mesoni B tre volte superiore.

Ulteriori progressi sono previsti per gli anni 2030 per sfruttare i futuri aggiornamenti dell’LHC e accumulare un set di dati 15 volte più grande. Questo passo finale consentirà di formulare affermazioni definitive, potenzialmente svelando una nuova comprensione del funzionamento dell’universo al livello più elementare.