La collaborazione LHCb ha trovato indizi di un decadimento che si verifica circa una volta ogni 10.000 miliardi di decadimenti di particelle beauty: il mesone B⁰ si trasforma in due muoni. Il segnale raggiunge 3,2 deviazioni standard combinando i dati di periodi diversi, un risultato compatibile con il Modello Standard, ma ancora al di sotto della soglia necessaria per confermare un’osservazione.
Il risultato è stato presentato a un seminario al CERN il 3 novembre 2026. È la prima volta che un singolo esperimento raccoglie indizi sufficienti di questo processo, dopo una ricerca che, secondo il Laboratorio Nazionale di Frascati dell’INFN, è iniziata nel 1984 con CLEO, alla Cornell University.
Un segnale raro, compatibile con la teoria
Il B⁰ è composto da un quark beauty e un antiquark down. Nel decadimento studiato, la particella produce una coppia di muoni, uno con carica positiva e l’altro negativa. I muoni sono simili agli elettroni, anche se hanno una massa maggiore; distinguerli tra un gran numero di altri processi è stata una delle sfide centrali dell’analisi.
La frequenza prevista per questo canale è molto bassa. Il decadimento equivalente del mesone B⁰s in due muoni avviene circa tre volte ogni miliardo di decadimenti di particelle beauty. Secondo la previsione del Modello Standard, quello del B⁰ sarebbe circa 30 volte meno frequente.
Questi canali sono considerati «canali d’oro» per cercare fenomeni non descritti dalla teoria attuale. La meccanica quantistica consente ad altre particelle di influire sul modo in cui decade un mesone; alcune potrebbero essere troppo pesanti per essere prodotte direttamente nelle collisioni dell’LHC, ma lasciare una traccia indiretta nella frequenza del processo. Una differenza significativa rispetto alla previsione potrebbe indicare tale influenza.
Per ora, le misure di LHCb sono compatibili con il Modello Standard. Il risultato non annuncia una nuova particella: restringe con maggiore precisione l’insieme dei modelli che estendono la teoria e che restano possibili, e orienta le ricerche future, secondo la collaborazione LHCb.
Da un indizio del 2015 alle prove attuali
La ricerca non è partita da zero. Nel 2015, un’analisi congiunta di LHCb e CMS osservò per la prima volta il decadimento B⁰s → μ⁺μ⁻ e segnalò indizi del più raro canale del B⁰. Le analisi successive, basate sui dati raccolti fino al 2018, non confermarono quegli indizi. Il segnale attuale costituisce la prima evidenza ottenuta da un singolo esperimento.
La storia del canale B⁰s mostra il percorso di queste misurazioni: LHCb segnalò indizi con una significatività di 3,5 deviazioni standard nel novembre 2012; LHCb e CMS annunciarono la prima osservazione congiunta, con una significatività di 6,2, nel maggio 2015; e LHCb riferì un’osservazione individuale con una significatività di 7,8 nel febbraio 2017. Il canale B⁰ resta molto più difficile da identificare.
La significatività del nuovo segnale è stata di 3,0 deviazioni standard con i dati del 2024 e del 2025. Combinando questi risultati con i dati raccolti dal 2011 al 2018, è salita a 3,2. Il CERN spiega che tre deviazioni standard corrispondono a una probabilità di circa lo 0,3% di ottenere per caso un segnale altrettanto estremo o più estremo; l’INFN esprime il valore combinato come una possibilità su circa 1.500 che sia dovuto a una fluttuazione del fondo.
Per parlare di un’osservazione confermata, la comunità della fisica delle particelle richiede cinque deviazioni standard. Il segnale non ha ancora raggiunto questa soglia. Se la raggiungerà, il decadimento B⁰ → μ⁺μ⁻ diventerà il più raro osservato tra le particelle beauty.
Più collisioni e un’identificazione più precisa
L’aggiornamento Upgrade I di LHCb, realizzato nel 2022 secondo l’INFN, ha permesso di registrare dati a un tasso di collisioni cinque volte superiore a quello precedente. Il CERN confronta il nuovo ritmo di acquisizione con quello del periodo dal 2010 al 2018. Anche la capacità del rivelatore di distinguere i tipi di particelle è migliorata, mentre il gruppo ha applicato tecniche di apprendimento automatico per separare i segnali rari dai processi di fondo.
L’esperimento registra centinaia di milioni di collisioni protone-protone al secondo. L’INFN quantifica il flusso di dati in quattro terabyte al secondo e segnala che il rivelatore analizza oltre cento milioni di collisioni al secondo. La precisione nel riconoscere i muoni è decisiva perché, senza questa selezione, il fondo avrebbe nascosto i segnali cercati.
Marco Santimaria, ricercatore del Laboratorio Nazionale di Frascati dell’INFN e uno dei responsabili dell’analisi, ha co-diretto un gruppo internazionale di 19 fisici, con partecipanti provenienti da Italia, Regno Unito, Germania, Spagna e Paesi Bassi. Il sistema dei muoni di LHCb comprende camere proporzionali multifilo con una superficie totale di 435 metri quadrati; molte sono state costruite a Frascati e raccolgono dati da oltre 15 anni.
“Identifying muons amid an enormous background is the real challenge of this measurement, and it is also at the heart of the work carried out by our analysis group in Frascati.”
— Marco Santimaria, ricercatore del Laboratorio Nazionale di Frascati dell’INFN
L’analisi combinata ha prodotto anche le misure più precise del decadimento B⁰s in due muoni, sia per la sua frazione di decadimento sia per la sua vita media effettiva. La collaborazione LHCb ha comunicato una vita media effettiva di 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picosecondi con i dati di Run 1, Run 2 e Run 3; il valore concorda con la previsione del Modello Standard.
Cosa può portare la prossima fase
La collaborazione ha presentato il risultato insieme a un articolo inviato per la pubblicazione. Il lavoro utilizza i dati delle collisioni protone-protone di Run 3, corrispondenti a una luminosità integrata di 18 fb⁻¹ e a un’energia nel centro di massa di 13,6 TeV, registrati tra il 2024 e il 2025 con il rivelatore LHCb Upgrade I. L’articolo combina questi dati con i risultati di Run 1 e Run 2.
Le misure future cercheranno di portare la significatività del canale B⁰ fino a cinque deviazioni standard. Potrebbero anche affinare il confronto tra i due mesoni: il rapporto tra le loro frazioni di decadimento esamina i modelli oltre il Modello Standard in modo diverso dalla sola misura del B⁰s. Inoltre, alcune teorie potrebbero modificare la vita media effettiva del B⁰s senza alterarne le frazioni di decadimento.
Il CERN prevede che l’acceleratore HiLumi LHC entri in funzione nel 2030. A metà del decennio successivo è previsto un ulteriore potenziamento delle capacità di LHCb; entrambe le fasi potrebbero aumentare di un ordine di grandezza il tasso di raccolta dei dati. La comunità italiana di LHCb sta già lavorando a questo aggiornamento, che dovrebbe consentire di studiare un maggior numero di decadimenti rari e di misurarli con maggiore precisione.
Harry Cliff, responsabile dei decadimenti rari di LHCb e co-direttore dell’analisi, ha dichiarato: “Seeing evidence for this rare decay is incredibly exciting, opening up new possibilities to probe beyond the direct reach of the LHC”. La domanda immediata è se i nuovi dati basteranno a portare l’indizio attuale da 3,2 alle cinque deviazioni standard necessarie per confermare il decadimento.
Fonti: TecnoAndroid, CERN, LHCb Collaboration, arXiv / LHCb Collaboration, INFN-LNF, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
