Recenti scoperte dalla ricerca al Grande Collisore di Adroni (LHC) del Cern a Ginevra suggeriscono che potremmo essere vicini a segni di fisica sconosciuta. Se confermati, questi indizi rovescerebbero il Modello Standard - la teoria che domina la fisica delle particelle da 50 anni. I risultati suggeriscono che il modo in cui specifiche particelle subatomiche si comportano nell'LHC non è d'accordo con il Modello Standard.

Le particelle fondamentali sono i mattoni più basilari della materia - particelle subatomiche che non possono essere divise in unità più piccole. Le quattro forze fondamentali - gravità, elettromagnetismo, forza debole e forza forte - governano come queste particelle interagiscono. L'LHC è un gigantesco acceleratore di particelle costruito in un tunnel circolare di 27 km sotto il confine franco-svizzero. Il suo scopo principale è trovare crepe nel Modello Standard, che è la nostra migliore comprensione delle particelle e delle forze fondamentali ma non spiega la gravità o la materia oscura - il tipo invisibile e non misurato di materia 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 fisica sconosciuta. I nuovi risultati provengono da LHCb, un esperimento al Grande Collisore di Adroni dove queste collisioni vengono analizzate. Il risultato deriva dallo studio del decadimento - una sorta di trasformazione - di particelle subatomiche chiamate mesoni B. Abbiamo studiato come questi mesoni B decadono in altre particelle, scoprendo che il modo particolare in cui ciò avviene non è d'accordo con le previsioni del Modello Standard.

Il Modello Standard è costruito su due dei progressi più trasformativi del XX secolo in fisica: la meccanica quantistica e la relatività speciale di Einstein. I fisici possono confrontare le misurazioni fatte in strutture come l'LHC con le previsioni basate sul Modello Standard per testare rigorosamente la teoria. Nonostante il fatto che sappiamo che il Modello Standard è incompleto, in oltre 50 anni di test sempre più rigorosi, i fisici delle particelle devono ancora trovare una crepa nella teoria - cioè, potenzialmente, fino ad ora.

La nostra misurazione, accettata per la pubblicazione su Physical Review Letters, mostra una tensione di quattro deviazioni standard dalle aspettative del Modello Standard. In termini reali, ciò significa che, dopo aver considerato le incertezze dai risultati sperimentali e dalle previsioni teoriche, c'è solo una probabilità su 16.000 che una fluttuazione casuale nei dati così estrema si verifichi se il Modello Standard è corretto. Sebbene ciò sia al di sotto del gold standard della scienza - quello che è noto come cinque sigma, o cinque deviazioni standard (circa una probabilità su 1,7 milioni) - le prove stanno iniziando ad accumularsi.

Ad aggiungersi a questa narrazione avvincente ci sono i risultati di un esperimento LHC indipendente, CMS, pubblicati all'inizio del 2025. Sebbene i risultati CMS non siano precisi come quelli di LHCb, concordano bene, rafforzando il caso. I nostri nuovi risultati sono stati trovati in uno studio di un particolare tipo di processo, noto come decadimento pinguino elettrodebole. Il termine "pinguino" si riferisce a un tipo specifico di decadimento (trasformazione) di particelle di breve durata. 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 se assomigliasse a un pinguino. Fondamentalmente, le misurazioni di questo decadimento ci permettono di studiare come un tipo di particella fondamentale, un quark beauty, può trasformarsi in un altro, il quark strange.

Questo decadimento 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 a cui queste particelle vengono prodotte nel decadimento e determinato con precisione quanto spesso avviene il processo. Abbiamo scoperto che le nostre misurazioni di queste quantità non sono d'accordo con le previsioni del Modello Standard.

Indagini precise su decadimenti come questo sono uno degli obiettivi principali dell'esperimento LHCb, e lo sono state fin dal