L’esperimento NA62 in attività al CERN ha da poco presentato i suoi più recenti risultati alla conferenza Moriond Electroweak 2018 e nel corso di un seminario al CERN. I risultati riguardano un evento rarissimo: il decadimento del mesone K carico in un pione e due neutrini (????+→????+????????). L’interesse per i decadimenti estremamente rari o addirittura “proibiti” è motivato dal fatto che questi processi permettono di sondare in modo indiretto scale di energia anche molto più alte di quelle direttamente accessibili ai più potenti collisori di particelle, come lo stesso Large Hadron Collider (LHC) del CERN. “Lo studio di questi decadimenti – spiega Fabio Ambrosino, ricercatore dell’INFN e professore all’Università Federico II di Napoli, che coordina la partecipazione nazionale dell’INFN all’esperimento – potrebbe aprire nel prossimo futuro una finestra sulla fisica oltre il Modello Standard, cioè sulla fisica non contemplata dalla nostra attuale teoria delle particelle elementari ma che stiamo cercando per dar conto di quei fenomeni ancora senza una spiegazione”. “Inoltre, i risultati appena presentati – prosegue Ambrosino – sono interessanti anche perché dimostrano l’efficacia della nuova tecnica, detta “in volo”, utilizzata da NA62 per indagare questi decadimenti del mesone K”. “Questo permetterà al nostro esperimento di studiare nei prossimi anni, con precisione mai raggiunta prima, questo elusivo processo: NA62 ci offre, quindi, un punto di osservazione privilegiato per sondare i segreti più profondi della natura, in modo complementare alle gigantesche macchine acceleratrici come LHC”, conclude il responsabile nazionale dell’esperimento.

L’evento rarissimo. Secondo le previsioni teoriche il mesone K carico decade in un pione e due neutrini solo in una frazione piccolissima dei casi. Per comprendere l’estrema rarità di questo processo, si pensi che il Modello Standard prevede, con notevole precisione, che debbano avvenire solo otto decadimenti di questo tipo ogni circa cento miliardi di decadimenti del mesone K. In numerose teorie che si propongono di superare il Modello Standard la frazione di eventi prevista per questo decadimento è invece sensibilmente diversa: quindi una misura sufficientemente precisa potrebbe mettere in evidenza la presenza di quella che i fisici chiamano Nuova Fisica. I risultati fin qui ottenuti, a questo livello di precisione statistica, sono compatibili con le previsioni del Modello Standard.

La collaborazione internazionale NA62 ha reso pubblici i risultati ottenuti sui dati raccolti nel 2016, che presentano un evento identificabile come il segnale cercato, con una adeguata riduzione del fondo (in media ci si aspetterebbe di osservare un evento di fondo su un campione sette volte più grande di quello analizzato). L’analisi continuerà sui dati raccolti nel 2017 (che ammontano a circa venti volte quelli utilizzati per l’analisi 2016), e su quelli che saranno raccolti nel 2018, a partire dal prossimo aprile quando LHC rientrerà in attività dopo la consueta pausa invernale, fino allo shutdown previsto per il 2019-2020.

Le due diverse tecniche. Fino a ieri un totale di sette decadimenti di questo tipo erano stati osservati, a coronamento di circa trent’anni di tentativi, da due esperimenti, E787 ed E949, svolti al Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti. La sfida sperimentale, oltre che dall’estrema rarità del processo che si cerca di osservare, è resa ulteriormente complicata dal fatto che i due neutrini prodotti nel decadimento non sono osservabili dai rivelatori. Per ridurre il numero di eventi di fondo, che inquinerebbero il segnale cercato, e usare un rivelatore compatto, gli esperimenti E787 ed E949 rallentavano il mesone K carico fino a fermarlo del tutto all’interno di un “bersaglio attivo”. L’esperimento NA62, che utilizza un fascio estratto dall’acceleratore Super Proton Synchroton (SPS) del CERN, è invece basato su una tecnica del tutto nuova: osserva i decadimenti del mesone K carico “in volo”, all’interno di un volume in cui è stato fatto il vuoto lungo oltre 60 metri. L’intero esperimento è composto da numerosi rivelatori per l’identificazione delle varie particelle, e per la misura delle loro caratteristiche cinematiche, disposti lungo un percorso di oltre 250 metri dal bersaglio di produzione fino al punto in cui si spegne il fascio di particelle (dump). Questo approccio permette di incrementare il numero totale di decadimenti osservabili e l’analisi presentata da NA62 ha mostrato che ciò può essere accompagnato da un livello di riduzione del fondo adeguato alla misura da realizzare.

La collaborazione NA62. Guidata dall’italiano Augusto Ceccucci del CERN, coinvolge circa 200 fisici da Europa, Stati Uniti, Canada, Messico e Russia, in cui l’impegno dell’INFN spicca con circa un terzo dei partecipanti. A livello nazionale oltre 70 fisici e tecnologi dei Laboratori Nazionali di Frascati e di otto Sezioni dell’INFN (Ferrara, Firenze, Napoli, Perugia, Pisa, Roma1, Roma2 e Torino) contribuiscono al successo dell’esperimento con importanti responsabilità su sottosistemi chiave di NA62: l’avanzatissimo sistema di tracciamento del fascio (GTK), il rivelatore per l’identificazione dei pioni (RICH), il veto per fotoni a grande angolo (LAV), il sistema di veto per i fondi da interazione anelastica (CHANTI), l’odoscopio di trigger (CHOD), il sistema di trigger e readout (TDAQ, LKR-L0) dell’esperimento sono stati tutti realizzati con il determinante contributo dell’INFN.