Nuovi risultati nella caccia alla materia oscura: il primo articolo di fisica dell’esperimento Belle II.

Il 6 aprile 2020 la prestigiosa rivista americana Physical Review Letters ha pubblicato il primo articolo di fisica dell’esperimento Belle II. L’articolo, intitolato “Search for an invisibly decaying Z′ boson at Belle II in e+e− → μ+μ− (e±μ∓) plus missing energy final states” è stato anche selezionato dalla rivista quale Editor’s Suggestion.
L’esperimento Belle II ha fornito nuovi contributi alla ricerca della materia oscura dando la caccia ad una nuova, ipotetica, particella di tipo bosonico, chiamata Z’, che agirebbe come un portale tra materia ordinaria ed oscura. Il primo articolo di fisica dell’esperimento, che opera al collisore elettrone-positrone SuperKEKB presso il laboratorio KEK di Tsukuba in Giappone, ha analizzato i dati raccolti nel corso del 2018 e non ha mostrato evidenza di tale particella, fissando nuovi interessanti limiti alle sue proprietà.

Osservazioni cosmologiche condotte negli ultimi anni suggeriscono che soltanto il 15% della materia dell’Universo è conosciuta, mentre il restante 85% è verosimilmente composta da qualche particella misteriosa non ancora scoperta, la cosiddetta materia oscura. La comunità scientifica internazionale, ivi inclusa la collaborazione Belle II, è fortemente impegnata nel tentativo di dare una soluzione a questo affascinante enigma.
Il bosone Z’ è uno dei candidati più promettenti per connettere la materia oscura al Modello Standard, la teoria che descrive con successo il mondo ordinario. Questa ipotetica particella potrebbe essere prodotta nelle collisioni tra elettroni e positroni a SuperKEKB e successivamente decadere in costituenti invisibili di materia oscura. “Qualora la sua esistenza fosse confermata, potrebbe risolvere una serie di problemi ancora senza risposte nella fisica delle particelle, quali quelli legati alla fenomenologia associata alla presenza di materia oscura nell’Universo, o alcune anomalie relative al momento magnetico del muone”, afferma il coordinatore dell’analisi Enrico Graziani, ricercatore INFN della Sezione di Roma Tre.
Modelli teorici e simulazioni dettagliate predicono che l’esperimento Belle II sia in grado di rivelare un chiaro segnale di produzione di Z’ cercando un eccesso di eventi in topologie con due muoni di carica opposta. I dati disponibili ad oggi, illustrati nell’articolo pubblicato su Physical Review Letters, non mostrano l’esistenza di un tale segnale. “Questo lavoro, frutto di una estesa collaborazione internazionale, è stato coordinato e svolto in larga parte da ricercatori dell’INFN”, afferma il Responsabile Nazionale dell’esperimento Paolo Branchini. Ricerche ulteriori basate su campioni di dati molto più estesi, che saranno raccolti da Belle II nei prossimi anni, potranno rilevare l’esistenza di un bosone Z’ debolmente interagente con le particelle conosciute, oppure escluderlo.

Figura 1. Distribuzione della massa dei candidati Z’ (punti neri) confrontata con il fondo aspettato (istogrammi). La presenza di un bosone Z’ si manifesterebbe con la comparsa di un eccesso di dati al di sopra del fondo atteso. Nessuna struttura del genere risulta qui visibile.

Figura 2. L’assenza di un segnale può essere interpretata come un limite superiore all’intensità dell’interazione del bosone Z’con le particelle conosciute. Se lo Z’ esistesse, il suo accoppiamento, sulla base dei risultati prodotti da Belle II, dovrebbe essere più debole di quanto mostrato dalle due aree blu in figura. La banda rossa più in basso indica i valori dell’accoppiamento che sarebbero necessari per spiegare altre anomalie osservate nella fisica delle particelle con l’esistenza di uno Z’.

Figura 3. Simulazione al computer di un evento in cui un bosone Z è prodotto in una collisione tra elettroni e positroni, in associazione con due muoni (linea verde) e decade in particelle invisibili. In questo esempio particolare lo Z’ decade in un neutrino (ν_μ) e in un anti-neutrino ((ν_μ ) ̅), ma altri decadimenti sono possibili, quali quelli in particelle di materia oscura.

Maggiori informazioni su SuperKEKB e Belle II, ivi compreso un glossario dei termini tecnici di uso più frequente, sono disponibili in inglese sul sito: https://www.kek.jp/en/newsroom/2019/03/11/1600/

Le immagini ad alta risoluzione di SuperKEKB e Belle II sono disponibili all’indirizzo https://www.kek.jp/ja/imagearchive/2019/03/11/1600/, per utilizzi con i crediti appropriati.