A caccia di materia oscura con i mesoni B

Il Modello Standard delle particelle è sicuramente la migliore descrizione che abbiamo del mondo subatomico ma, sebbene più volte testato con grande precisione, non spiega il quadro completo dell’Universo. Tra le domande rimaste senza risposta c’è la materia oscura, qualcosa che occupa circa il 26% dell’Universo ma di cui non sappiamo ancora la natura, e l’antimateria, quasi scomparsa dopo il Big Bang.

Leonardo Rizzuto è al Jožef Stefan Institute di Lubiana (Slovenia) e si occupa della fisica del sapore (flavour physics): nello specifico, Rizzuto studia i decadimenti del mesone B alla ricerca di indizi per lo sviluppo di una nuova fisica.

Nome: Leonardo Rizzuto
Età: 31 anni
Nato a: Bonn (Germania)
Vivo a: Lubiana (Slovenia)
Dottorato in: (in corso) fisica delle particelle elementari (Lubiana)
Ricerca: Eventi rari nel decadimento dei mesoni B
Istituto: Experimental Particle Physics, Jožef Stefan Institute (Lubiana, Slovenia)
Interessi: fotografia, viaggiare
Di Lubiana mi piace: è una città giovane, c’è molto verde, si può girare in bici
Di Lubiana non mi piace: la speculazione sulle case
Pensiero: Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that’s not why we do it. (Richard P. Feynman)

Quali sono gli approcci per scoprire cosa c’è oltre al Modello Standard delle particelle?

Ce ne sono diversi, quello principale e adoperato dal CERN di Ginevra si basa sull’esplorazione della frontiera dell’energia, cioè sull’ottenere e studiare particelle aventi nel centro di massa un’energia nell’ordine dei teraelettronvolt, che è un elettronvolt con addirittura dodici zeri dopo.

L’approccio che seguiamo noi, invece, riguarda la fisica di precisione ed è collegato all’esperimento Belle II in Giappone; consiste nell’andare a cercare eventi molto rari in un ambiente molto pulito. Gli eventi prodotti nei vari esperimenti a Ginevra sono per così dire “sporchi” perché coinvolgono adroni che non sono particelle elementari e danno origine a elementi pieni di tracce. In questi processi è difficile trovare eventi rari, l’ambiente di Belle II è più favorevole perché si fanno collidere tra loro elettroni e positroni (particella e antiparticella), che sono entrambe particelle elementari.

Cosa succede all’interno di Belle II?

La collisione tra elettrone e positrone viene fatta a una ben precisa energia nel centro di massa in modo da produrre due mesoni B che siano sempre particella e antiparticella e formati da almeno un quark B e un altro quark meno massivo.
A questo punto, entrambi decadranno in particelle di massa minore seguendo processi anche diversi tra loro. Il nostro obiettivo è ricostruire il decadimento di uno dei due mesoni B e andare a studiare la parte complementare alla ricerca di quegli eventi rari che portano alla produzione di materia oscura.

La ricostruzione di uno dei due decadimenti avviene seguendo un approccio di flavour tagging con tecniche di machine learning. In sostanza sfruttiamo una serie di algoritmi, esercitati in precedenza grazie a simulazioni mirate, per riconoscere certi tipi di decadimenti, noti, sulla base delle informazioni di energia e di impulsi delle particelle raccolte durante l’esperimento.

Una volta ricostruito abbastanza fedelmente uno dei due decadimenti, andiamo a vedere la parte complementare dell’evento e, in particolare, cerchiamo di individuare un processo ancora non conosciuto in cui c’è produzione di materia oscura.

Come si selezionano questi eventi rari?

I decadimenti con particelle di materia oscura non lasciano tracce, non danno alcun segnale e, non essendo ancora ben noti, probabilmente sono anche fenomeni poco probabili. Per individuarli e inferire qualche indizio su come avvengono, poniamo dei vincoli sull’energia e sull’impulso delle particelle. L’energia (così come gli impulsi) non si crea né si distrugge: avendo buona misura dell’energia nel centro di massa, conoscendo quanta se ne è presa uno dei due mesoni B e sapendo quanta ne hanno i prodotti, in certi casi si può dedurre se c’è stata produzione di materia oscura e così testare la presenza di una nuova fisica.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Se riuscissi a dimostrare che in un certo tipo di decadimento c’è produzione di materia oscura in effetti si aprirebbe un mondo di possibilità.
Diciamo che sarebbe già un buon risultato avere una misura migliore per un certo tipo di decadimenti e riuscire a mettere almeno un limite a questi eventi, ovvero stabilire la probabilità che un decadimento con produzione di energia oscura avviene partendo da determinate condizioni.

Dei mesoni B conosciamo già centinaia di diversi possibili decadimenti, alcuni sono stati addirittura misurati con precisione e vengono usati nel machine learning per ricostruire il mesone taggato. Ce ne sono però tanti altri e poco a poco li stiamo osservando e studiando; per alcuni di questi esperimenti è un po’ una corsa contro il tempo con LHCb del CERN, che tra poco ricomincerà con le collisioni. Ma nei prossimi anni sono sicuro che Belle II farà ulteriori misure di nuovi decadimenti e, con la loro analisi, speriamo di poterci avvicinare alla risposta sul mistero della grande asimmetria tra materia e antimateria. Secondo il modello attuale dell’Universo, infatti, all’inizio c’era pura energia e da qui sono nate in parti uguali materia e antimateria. Il punto è: come si è arrivati a un Universo fatto quasi completamente di materia, in cui possiamo vivere e parlarne, e perché non c’è una controparte di me con cui posso venire a contatto e annichilirmi da un momento all’altro? È una domanda a cui esperimenti proprio come Belle II cercano di dare risposta, attraverso lo sviluppo di modelli di nuova fisica.

Leggi anche: Perché l’universo è fatto di materia e non di antimateria?

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Immagine di copertina: Wikimedia Commons