Gli scienziati che lavorano al più grande frantumatore di atomi del mondo hanno individuato uno strano modello nei loro dati che non può essere spiegato dalle attuali leggi della natura.

Uno dei quattro enormi esperimenti di collisione in corso al Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra, ha scoperto che i cosiddetti quark di bellezza (o quark di fondo) non si comportano come dovrebbero secondo la nostra migliore teoria su come interagiscono gli elementi di base della materia: il Modello Standard.

Se il comportamento stravagante delle particelle è reale e non solo un evento casuale, ha implicazioni enormi per la comprensione della materia da parte dei fisici e le regole di base che governano l'universo. Potrebbe portare alla scoperta di una nuova forza fondamentale della natura, o alla sostituzione del Modello Standard con una teoria ancora più profonda.

"Stavamo davvero tremando quando abbiamo guardato i risultati per la prima volta, eravamo così eccitati. I nostri cuori battevano un po' più velocemente". Mitesh Patel dell'Imperial College di Londra, uno dei principali fisici che lavorano sull'esperimento, ha detto in una dichiarazione: "È troppo presto per dire se questo è veramente una deviazione dal Modello Standard, ma le implicazioni potenziali sono tali che questi risultati sono la cosa più eccitante che ho fatto in 20 anni nel campo. È stato un lungo viaggio per arrivare qui".

All'interno dell'LHC - un anello sotterraneo lungo 27 chilometri - i protoni girano alla velocità della luce e poi si scontrano tra loro. Il risultato? Da queste collisioni si formano particelle nuove e talvolta esotiche. Più veloci vanno quei protoni, più energia hanno. E più energia hanno, più massicce possono essere le particelle risultanti. I distruttori di atomi come l'LHC individuano possibili nuove particelle cercando prodotti di decadimento rivelatori, poiché le particelle più pesanti hanno generalmente vita breve e si scompongono immediatamente in particelle più leggere.

Uno degli obiettivi dell'LHC è testare il Modello Standard, il quadro matematico che i fisici usano per descrivere tutte le particelle fondamentali conosciute nell'universo e le forze attraverso cui interagiscono. Anche se il modello esiste nella sua forma finale dalla metà degli anni 70, i fisici sono tutt'altro che soddisfatti e sono costantemente alla ricerca di nuovi modi per testarlo e, se sono fortunati, farlo fallire. 

Questo perché il modello, nonostante sia il nostro più completo e accurato per la fisica delle particelle, include enormi lacune, rendendolo totalmente incapace di spiegare da dove viene la forza di gravità, da cosa è composta la materia oscura e perché c'è tanta più materia che antimateria nell'universo. 

Il modello prevede anche che quando le particelle più pesanti si rompono, dovrebbero rompersi in elettroni con la stessa frequenza con cui si rompono nel loro cugino più pesante, il muone. Questo perché il Modello Standard vede il muone come perfettamente identico all'elettrone, tranne per il fatto che il muone è circa 200 volte più pesante. I due, insieme alla particella tau, formano una famiglia di parenti molto vicini nello zoo delle particelle chiamate leptoni.

Un uomo va in bicicletta lungo l'acceleratore di particelle al CERN.

Ma dal 2014, i fisici che osservano i decadimenti delle particelle all'LHCb dicono di aver costruito un quadro abbastanza diverso che coinvolge uno dei sei sapori di quark (quelle particelle minuscole che compongono protoni e neutroni accartocciati dentro i nuclei atomici): Quando un tipo di particella chiamata quark di bellezza decade, sembra produrre elettroni molto più spesso dei muoni. Questa è una grande contraddizione del Modello Standard. Ma prima i fisici dovranno dimostrare oltre ogni dubbio che la scoperta è reale.

"È un risultato davvero intrigante, ma prima dobbiamo dimostrare che è statisticamente significativo", ha detto Chris Parkes, un fisico sperimentale delle particelle all'Università di Manchester e portavoce della collaborazione LHC beauty (LHCb), che ha condotto l'esperimento. "Se lanci una moneta cinque volte di fila e ogni volta esce croce, allora è un po' strano. Se poi la lanci altre 100 volte e atterra ancora solo croce, allora c'è qualcosa di strano in quella moneta".

Parkes ritiene che la probabilità che il risultato sia solo un caso fortuito sia 1 su 1.000. Affinché la collaborazione possa dichiarare una nuova scoperta, queste probabilità devono essere ridotte a circa 1 su 1.000.000. Ma i ricercatori dicono che saranno in grado di farlo molto presto.

Normalmente, quando si individua un risultato come questo, si pensa: "Cavolo, dobbiamo costruire un nuovo collisore", ha detto Parkes, riferendosi al fatto che per continuare a trovare nuove particelle, i collisori devono essere in grado di accelerare le particelle a energie ancora più elevate. "La cosa davvero eccitante è che ora che abbiamo questo intrigante indizio, abbiamo già un sacco di dati che stiamo analizzando per trovare altri segni".

L'LHCb sta anche installando la versione di prossima generazione del suo rivelatore. Quando questo rivelatore sarà online l'anno prossimo, Parkes si aspetta che sarà ancora più sensibile nel raccogliere la radiazione emessa dalle particelle formate durante le collisioni ad alta energia.

Nonostante l'incertezza che circonda questo risultato, Parkes ha detto che quando è combinato con altri risultati promettenti sui decadimenti dei quark di bellezza, ha portato a un'atmosfera di cauto entusiasmo al CERN, l'organizzazione di ricerca che gestisce l'LHC.

Questo perché se il risultato è vero, potrebbe essere spiegato dall'esistenza di particelle o forze precedentemente sconosciute alla fisica. Un esempio potrebbe essere il leptoquark, che è una particella capace di interagire sia con i leptoni che con i quark. Un'altra possibilità è che ci potrebbe essere una forza fondamentale completamente nuova.

"La cosa bella è che molte di queste analisi sono già in corso", Parkes. "Non stiamo parlando di avere risposte nelle prossime settimane, ma nemmeno di aspettare anni".