Al CERN fanno una scoperta importante

L’esperimento LHCb condotto presso il CERN ha rilevato per la prima volta nelle particelle mesoni D0 una prova della violazione della simmetria CP. Da quando sono state scoperte queste particelle i fisici hanno sempre sospettato che la violazione della simmetria CP avvenga anche in questo sistema. Solo adesso se ne ha una prova sperimentale. I risultati di questa scoperta hanno una significatività statistica del 5.3 sigma, ben oltre i 5 sigma necessari per convalidare una scoperta. La violazione della simmetria CP è un fattore essenziale per comprendere i meccanismi che hanno permesso oggi alla materia di essere più abbondante dell’antimateria. La quantità di asimmetria osservata nelle interazioni nel ‘Modello Standard’ è ancora troppo piccola per poter spiegare il disequilibrio materia-antimateria. Dovrebbero quindi esserci ancora processi fisici non noti che hanno contribuito alla formazione dell’universo. Questa scoperta è un passo piccolo ma significativo proprio verso quella strada.

Particelle e anti-particelle

La fisica delle particelle ha fatto grandi passi nell’ultimo secolo. La prima previsione dell’esistenza delle antiparticelle è dovuto al fisico francese Paul Dirac. Scrisse un’equazione molto elegante che descrive come le particelle si comportano a una velocità prossima a quella della luce. Dirac si è accorto che la sua equazione aveva sempre due soluzioni. Era un po’ perplesso di questo e per 4 anni ha pensato che una delle due soluzioni non avesse un significato fisico (un po’ come una massa negativa). Non si era accorto che aveva scoperto l’esistenza di un mondo fino a quel tempo sconosciuto: il mondo delle antiparticelle. Una soluzione dell’equazione potrebbe descrivere un elettrone mentre la seconda soluzione una particella simile a esso, un po’ come una particella ‘gemella’. Questa particella, che chiamiamo anti-elettrone o positrone, ha alcune proprietà interessanti, ossia ha la stessa massa dell’elettrone ma carica positiva. L’equazione di Dirac dice che questa cosa è vera per tutte le particelle. Le particelle esistono quindi sempre in coppia. I quark hanno gli anti-quark, i protoni hanno gli antiprotoni mentre gli anti-elettroni e gli anti-protoni possono unirsi a formare anti-atomi.

La materia e l’antimateria

Quark

I quark sono particelle fondamentali della materia. Potrebbero essere paragonati ai mattoni usati per costruire una casa: i quark si uniscono fra di loro per formare altre particelle più grandi come il protone e il neutrone. Ci sono 6 ‘gusti’ diversi di quark, un po’ come un gelato: bottom, down, strange, charm, up e top. I primi tre hanno una carica negativa pari a 1/3 della carica di un elettrone, mentre i restanti una carica positiva pari a 2/3 di quella dell’elettrone. La particella ‘mesone D0’ della scoperta è formata da un ‘quark charm’ e da un ‘antiquark up’. Prima d’ora si era osservata solamente la violazione della simmetria CP nelle particelle contenenti i ‘quark strange’ e ‘quark bottom’. Il ‘mesone D0’ è infatti formato da un ‘quark charm’ e da un ‘antiquark up’.

I sei ‘gusti’ dei quarks (fonte: physics.tutorvista)

Simmetria CP

Una simmetria CP è una trasformazione in fisica che si ottiene scambiando le particelle con le loro corrispondenti antiparticelle (detta ‘simmetria C’, carica) e invertendo le coordinate spaziali (detta ‘simmetria P’, parità). Cosa vuol dire che una particella viola la simmetria CP? Immaginate di effettuare un esperimento con un elettrone davanti a uno specchio. L’esperimento seguirebbe la simmetria CP se i risultati che una persona ottiene nel ‘mondo reale’ sono uguali ai risultati che una persona ottiene nel ‘mondo degli specchi’, usando al posto dell’elettrone un positrone. La simmetria C consiste nello scambio protone-positrone mentre la simmetria P consiste nel fare l’esperimento dentro lo specchio (dove si invertono le coordinate, ossia il sinistro col destro si scambiano). In altre parole, se le leggi fisiche seguissero questa simmetria, non ci sarebbe nessun esperimento fisico capace di dirci se siamo nel ‘mondo reale’ o nel ‘mondo degli specchi’. I fisici hanno assunto che tutte le particelle fondamentali seguissero la simmetria CP: non è questo il caso.

Una simmetria CP scambia una particella con l’immagine speculare della sua antiparticella. La violazione della simmetria CP si è ottenuta osservando un decadimento diverso in particelle più piccole di queste mesoni D0, come si può vedere dall’istogramma nell’immagine. (fonte: CERN)

Enigma materia-antimateria

Arriviamo adesso a un problema. Quando una particella incontra la sua antiparticella, si annichiliscono rilasciando radiazioni. Quindi, la materia è quella composta dalle particelle mentre l’anti-materia è quella composta dalle antiparticelle e quando si incontrano si distruggono. Il problema è che, secondo la teoria del Big Bang, particelle e anti-particelle furono create in parti uguali all’inizio dell’universo. Ma allora, dov’è finita tutta l’antimateria? Come è nato l’universo così come lo osserviamo, ossia fatto dalla materia? Il mistero ha resistito per molti decenni ed è tutt’ora irrisolto. Con la scoperta fatta dai ricercatori del CERN ci avviciniamo però sempre di più a risolvere questo puzzle. Tuttavia l’entità della violazione è ancora insufficiente per poter dare una spiegazione esauriente all’asimmetria materia-antimateria che osserviamo in natura.  L’asimmetria fra particelle e antiparticelle è dunque importante per capire i meccanismi che hanno portato al disequilibrio materia-antimateria e quindi alla formazione dell’universo. La scoperta fatta a Ginevra apre dunque nuovi campi e orizzonti dove è possibile cercare le risposte a questo enigma.

Kerby Dimayuga

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