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Cronache dal mondo scientifico

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IL CASO SCIENTIFICO DELLA SUPERB: ha consistenza?

In quanto segue ci si limita a considerare solo il programma di Fisica Fondamentale che può essere svolto su questo acceleratore, che è poi l’autentico rationale di questo progetto, senza entrare nel merito dei programmi scientifici aggiuntivi, nè della fattibilità tecnico-scientifico-economica dell’impresa, a cui saranno dedicati articoli successivi.

I proponenti partono dall’idea che, come la fisica degli effetti flavor changing nelle interazioni tra quarks è stata fondamentale nello sviluppo del Modello Standard (SM), così  la struttura dettagliata  di Nuova Fisica (NP) è severamente limitata e quasi predeterminata da processi che riguardano il flavor (=sapore). In tal senso, lo studio di alcuni ‘canali aurei’ (golden channels), conosciuti con alta precisione all’interno dello SM, porterebbe alla scoperta di eventuali deviazioni dallo stesso o l’effettuazione di test di precisione nel caso che esse fossero state scoperte ad LHC.

Perciò l’obbiettivo fondamentale della SuperB è lo studio in abbondante statistica dei decadimenti rari dei quarks pesanti b e c e del leptone pesante τ. In questo modo si spera di far risaltare gli effetti di NP, essendo quelli del SM già fortemente soppressi dalla rarità dei fenomeni presi in esame. La precisione ottenibile con un collider e+ e- permetterebbe di discriminare fra i varii modelli di NP, una volta però che segnali inequivocabili di essa siano stati scoperti ad LHC. In generale però, quello che si riuscirà a fare è solo porre dei limiti alla validità di tali modelli, senza arrivare mai ad una discriminazione netta.

La sensibilità sperimentale richiesta, che abbisogna di una Luminosità integrata di ben 75 ab-1, non è poi tanto migliore di quella ottenibile dalla concorrente macchina giapponese SuperKEKB e, nel settore cruciale della fisica del mesone B, non consente miglioramenti superiori di un fattore 3-4 rispetto a quest’ultima, che comunque ci arriverà molti anni prima. In questo settore, se anche si osservassero deviazioni dal Modello Standard, sarebbe comunque assai difficile discriminare tra i varii modelli di NP, che sono sensibili solo a pochi canali di decadimento, come si vede facilmente da un’ispezione della Golden Matrix [ref. 2, pag. 15]. Detti modelli inoltre, vanno collocati all’interno del più vasto scenario della Supersimmetria, di cui finora non solo non si ha nessuna evidenza sperimentale, ma che addirittura, secondo recenti analisi teoriche [ref. 3, fig. 2], appare di difficile osservabilità anche a LHC, limitata com’è in una regione assai ristretta da pesanti vincoli sperimentali (mancata osservazione al Tevatron-Fermilab e al LEP) e teorici. Questi ed altri modelli, di carattere ancora più esotico (Z-penguin, correnti destrorse), costituiscono solo un esercizio speculativo che, se anche suggerito da una eventuale discordanza rispetto al Modello Standard, avrebbe bisogno di ulteriori indagini sperimentali, senza speranza, quindi, di poter mai fornire una risposta definitiva.

 

La misura dei parametri della matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) con precisione dell’1% costituisce certo uno dei cavalli di battaglia della SuperB: come sostengono gli stessi proponenti [ref. 2, pag. 8], il risultato interessante verrà anticipato da LHCb che misurerà con grande precisione i parametri previsti dal SM. Solo la presenza di NP potrebbe rendere necessaria l’effettuazione di misure ancora più precise, ma non esistono indicazioni in tal senso, nè teoriche nè sperimentali.

Un altro obbiettivo di primaria importanza è l’esplorazione dell’origine della (rara) violazione della simmetria CP: in particolare, oltre ad un (ovvio) raffinamento delle misure già effettuate dagli esperimenti BABAR e BELLE nel settore del quark b, vi è la possibilità di osservarla nel decadimento del c. Le previsioni di SM sono di un effetto estremamente piccolo, non misurabile praticamente, ma in alcuni casi particolari, come le asimmetrie CP dipendenti dal tempo, ci potrebbe essere un rafforzamento dell’effetto fino a renderlo osservabile. Naturalmente si tratta solo di supposizioni.

Un’altra motivazione ancora molto forte per la SuperB è lo studio della fisica del leptone pesante τ. In particolare si cerca un effetto mai osservato finora, ossia una possibile violazione della conservazione del numero leptonico (LFV, Lepton Flavor Violation), un programma che già impegna 2 esperimenti nel mondo. A detta degli stessi proponenti [ref. 4], la sensibilità di tali esperimenti risulta peraltro superiore a quella della SuperB, che dal canto suo permetterebbe solo un raffinamento della misura, una volta che ne fosse accertata l’esistenza, grazie alla polarizzazione del fascio degli elettroni. Anche qui è possibile effettuare una ricerca della violazione di CP, mai osservata finora nel settore leptonico. Tuttavia è doveroso sottolineare come i modelli più accreditati di NP, una volta applicate le restrizioni derivanti dai risultati sperimentali, porterebbero a violazioni di CP in un range non accessibile alla SuperB, se non in casi estremi assai improbabili [ref. 2, pag.30].

In questo ragionamento si suppone che LHC sia in grado di scoprire segnali (particelle) NP,  le cui proprietà verrebbero poi misurate accuratamente dalla SuperB e permetterebbero poi di formulare matematicamente il nuovo SM; nel caso invece che ad LHC non venisse trovato nessun indizio in tal senso, i proponenti sostengono che la SuperB sarà capace di cercare segnali di NP fino ad una scala energetica dell’ordine di 10 - 100 TeV. Il problema è che, notoriamente, una scoperta scientifica ha comunque bisogno di almeno una conferma indipendente, prima di poter essere ragionevolmente considerata una Verità accertata: anche ammettendo che si scoprano alla SuperB dei segnali di NP, comunque sempre deboli e quasi indecifrabili, non potremo mai avere certezze fino a quando non saranno scoperte le nuove particelle che ne costituiscono l’ossatura. Allo stesso modo la mancata osservazione del Bosone di Higgs a LHC costituirebbe un colpo durissimo a tutto l’edificio del Modello Standard, a tal punto che l’unica giustificazione per tenerlo in vita, ancorchè pericolante,  sarebbe soltanto l’incapacità della comunità scientifica di costruirne uno più robusto.

Se quindi le nuove particelle, predette dai modelli NP, dovessero situarsi in una regione energetica al di fuori della portata di LHC, la loro rivelazione appare comunque impresa impossibile, perchè implicherebbe la realizzazione di un Super Mega Acceleratore, di energia comunque ben superiore sia a LHC che al nuovo progetto in corso di studio denominato International Linear Collider (ILC), di cui parla da un po’ di tempo, ma solo in ambito scientifico. Tale progetto andrebbe incontro a difficoltà talmente insormontabili, di ordine scientifico, ingegneristico, economico e anche politico che lo rendono assolutamente improponibile, in un futuro prossimo e remoto.

In conclusione:

  • non ci sono nuove particelle da scoprire nella regione di massa accessibile (nessuna teoria ne prevede l’esistenza)
  • l’interesse scientifico del progetto è troppo collegato ad LHC e comunque, per quanto riguarda le misure di precisione nella fisica del b, verrà largamente anticipato dall’esperimento LHCb.
  • Il rischio sostanziale della SuperB, ampiamente condiviso da LHC,  è che non si trovi assolutamente nulla, se non verifiche e raffinamenti di misure e risultati già acquisiti, che quindi non ci aiutano a stabilire nuove verità .

In realtà non ci si aspetta nuova fisica dalla SuperB ma solo di capire la fisica già nota. Se LHC scopre nuova fisica (supersimmetrie, extradimensioni etc.), allora la SuperB può raffinare la misura, se no può solo vedere segnali indiretti, ossia difformità dal Modello Standard che, se osservate al livello dell'1% di errore verrebbero interpretate come segnali di Nuova Fisica, ma resterebbero un grosso punto interrogativo, senza possibilità di conferme ulteriori!

Sergio Bartalucci

Le notizie contenute in quest'articolo sono desunte da:

[1] ‘SuperB’, Conceptual Design Report (CDR), pubblicato come rapporto INFN/AE - 07/2, SLAC-R-856 e LAL 07-15 nel Marzo 2007.

[2] ‘New Physics at the Super Flavour Factory’, Proc. of  SuperB Workshop VI, arXiv:0810.1312v2

[3] G.F. Giudice, R. Rattazzi, Nuclear Physics B 757 (2006) 19–46

[4] Intervento di A. Lusiani – Pisa  XVII SuperB Workshop and Kick Off Meeting La Biodola, Italy, 31 May 2011