CP_Violation

Violazione delle leggi fisiche fondamentali

Perchè l’Universo è dominato dalla materia? È una delle domande ancora aperte a cui gli scienziati stanno tentando di dare una risposta, un problema altresì noto come asimmetria barionica che è anche uno dei motivi per cui si spiega la nostra esistenza. La risposta è strettamente connessa alla violazione delle leggi di conservazione della fisica delle particelle, la cui storia, ricca di tanti episodi, risale al 1956.

Tutto inizia con uno studio guidato da Chien-Shiung Wu all’epoca alla Columbia University in New York. Assieme al suo gruppo, la scienziata stava studiando il decadimento del cobalto-60, un isotopo radioattivo instabile dell’elemento cobalto. Questo isotopo decade a sua volta in un altro isotopo, il nichel-60, e in questo processo esso emette un elettrone e un antineutrino elettronico. A sua volta, l’isotopo nichel-60 emette una coppia di fotoni. La legge di conservazione che è stata testata si riferisce alla conservazione della parità secondo cui le leggi della fisica non dovrebbero modificarsi quando tutti i segni delle coordinate spaziali relativi alla particella sono invertiti. L’esperimento condotto da Wu e collaboratori ha analizzato il decadimento del cobalto-60 in due configurazioni che sono l’una lo specchio dell’altra. L’emissione dei fotoni a seguito del decadimento è un processo elettromagnetico per cui è stato dimostrato che vale la conservazione della parità. Ma l’emissione dell’elettrone e dell’antineutrino elettronico è un processo di decadimento radioattivo, mediato dall’interazione debole. Tali processi non sono mai stati testati in questo modo. In questo esperimento, la conservazione della parità ci dice che gli elettroni dovrebbero essere emessi nella stessa direzione e nella stessa proporzione come i fotoni. Ma il team di Wu ha trovato l’opposto: in altre parole, la natura ci sta dicendo che la parità, o la simmetria P, viene violata. Due teorici, Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang, che avevano suggerito di verificare con queste modalità la conservazione della parità, condivisero nel 1957 il Nobel per la Fisica per tale scoperta.

Molti fisici furono sorpresi da questo risultato sulla violazione della parità perciò essi iniziarono a pensare che, forse, stavano guardando alla simmetria sbagliata. Da qui si ebbe una sorta di effetto domino in quanto gli scienziati scoprirono ben presto che un’altra simmetria, ritenuta fondamentale, cioè la coniugazione di carica, o simmetria C, doveva essere allo stesso modo violata. La coniugazione di carica è una simmetria che esiste tra le particelle e le rispettive antiparticelle. Quando essa viene applicata alle particelle con una proprietà denominata spin, come per i quark e gli elettroni, le trasformazioni C e P entrano in conflitto tra loro. Ciò vuol dire che nessuna di esse può essere una buona simmetria se una di esse viene violata. Ma, così come pensarono gli scienziati, la combinazione delle due, denominata simmetria CP, sarebbe stata ancora conservata. Se questo era il caso, ci sarebbe stata almeno una simmetria tra il comportamento delle particelle e delle rispettive particelle di antimateria e di carica opposta. Ma questo non voleva significare che fosse davvero così. Infatti, nel 1964, un gruppo di ricercatori guidati da James Cronin e Val Fitch scoprirono durante un esperimento realizzato al Brookhaven National Laboratory che la simmetria CP viene anch’essa violata. Allora, il team iniziò a studiare il decadimento dei kaoni neutri in pioni: entrambi sono composti da particelle fatte di quark e antiquark. I kaoni neutri si hanno in due versioni che sono caratterizzate da diversi tempi di vita media: cioè, quelli di vita breve che decadono principalmente in due pioni e quelli che hanno una vita più lunga che preferiscono lasciarsi dietro tre pioni. Ad ogni modo, Cronin, Fitch e colleghi trovarono che i kaoni che vivono più a lungo decadono, molto raramente, in due anzichè tre pioni, il che richiede che la simmetria CP sia sostanzialmente violata. La scoperta della violazione CP fu riconosciuta col Nobel per la Fisica nel 1980, non solo ma essa generò addirittura altre scoperte. Nel 1973, questo risultato aveva portato Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa a predire l’esistenza di una terza generazione di particelle elementari, perchè a quell’epoca ne erano note soltanto due. Nel giro di pochi anni, grazie ad una serie di esperimenti condotti allo SLAC National Accelerator Laboaratory i fisici trovarono la particella tau, o tauone, ossia la terza generazione di un gruppo di particelle che include elettroni e muoni. Più tardi, gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory identificarono una terza generazione di quark (bottom e top).

Verso la fine degli anni ’90, gli scienziati del Fermilab e del CERN trovarono un’ulteriore evidenza della violazione CP nei processi di decadimento dei kaoni neutri. Poi, a partire dal 1999, l’esperimento BaBar presso lo SLAC e l’esperimento Belle situato nei laboratori KEK in Giappone iniziarono ad esplorare la violazione CP nei processi di decadimento di particelle composite denominate mesoni B. Dopo aver analizzato dozzine di differenti tipi di decadimento relativi ai mesoni B, i ricercatori degli esperimenti BaBar e Belle rivelarono piccole differenze nel modo con cui i mesoni B e le rispettive antiparticelle decadono. I risultati concordano con le previsioni di Kobayashi e Maskawa e nel 2008 il loro lavoro venne riconosciuto con la condivisione del Nobel per la Fisica assieme a Yoichiro Nambu. Ma l’obiettivo dei fisici era quello di capire se c’è ancora qualcosa d’altro rispetto alla violazione CP, perchè occorre dare una risposta ad una grossa domanda: perchè siamo qui? Quando l’Universo si originò circa 14 miliardi di anni fa, esso avrebbe dovuto generare materia e antimateria in eguali quantità. Se la natura ha trattato queste due forme di materia esattamente allo stesso modo, materia e antimateria avrebbero dovuto annichilare, lasciandosi dietro pura energia. Tuttavia, il nostro Universo è dominato dalla materia. La violazione CP è essenziale per spiegare questa differenza, o asimmetria, anche se l’entità della violazione CP osservata finora negli esperimenti è dell’ordine di un milione-miliardo di volte più piccola.

Di recente, i fisici che lavorano agli esperimenti BaBar e Belle hanno combinato i loro dati in una sorta di analisi congiunta (arXiv). L’analisi dei dati ha rivelato, per la prima volta, la violazione CP in una particolare classe di decadimenti di mesoni B che ciascun esperimento non era stato in grado di analizzare da solo a causa della scarsa statistica. Finora, questo e altri studi sono in pieno accordo con il modello standard. Ma i ricercatori sono lontani dallo smettere di sperare di trovare dei comportamenti inaspettati in quei processi che sono governati dalla violazione CP. Il prossimo esperimento denominato Belle II, attualmente in costruzione ai laboratori KEK, produrrà mesoni B con un tasso più elevato rispetto al suo predecessore, il che permetterà di analizzare con una precisione più elevata gli studi sulla violazione CP. Nel frattempo, l’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider (LHC) continua a studiare mesoni B, tra cui quelli più pesanti che sono stati prodotti solo raramente negli esperimenti BaBar e Belle. Per il futuro è in programma una ottimizzazione dell’esperimento che sarà in grado di raccogliere una quantità di dati 10 volte superiore. Fino ad oggi, la violazione CP è stata osservata solo in particelle come queste composte di quark. Sappiamo che questo tipo di violazione CP già vista in alcuni processi che riguardano i quark non può spiegare il fatto che l’Universo sia dominato dalla materia. Perciò la domanda è: in quale altra situazione potremmo osservare una eventuale violazione CP? Forse, uno di questi posti speciali potrebbe celarsi nel processo di decadimento del bosone di Higgs. Un altro posto dove cercare potrebbe essere nel comportamento dei leptoni, cioè la famiglia degli elettroni, muoni, tauoni e dei rispettivi neutrini. Ma si potrebbero considerare persino i vari tipi di decadimenti dei quark. “Per spiegare l’evoluzione dell’Universo, dovremmo aver bisogno di una enorme quantità di violazione CP extra”, spiega Ulrich Nierste, un fisico teorico del Karlsruhe Institute of Technology in Germania. “E’ possibile che questo meccanismo coinvolga particelle sconosciute così pesanti che non saremo mai in grado di creare qui sulla Terra”. Tali “supermassimi” sarebbero stati prodotti verso la fine delle primissime fasi primordiali della storia cosmica e potrebbero essere correlate alla mancanza di antimateria che vediamo oggi nell’Universo. I ricercatori cercano tracce della violazione CP anche nei neutrini più leggeri da cui potrebbero emergere preziosi indizi di una eventuale e maggiore violazione della simmetria CP per valori della massa decisamente più grandi.

Insomma, materia e antimateria si comportano in maniera diversa. Gli scienziati sperano che lo studio delle leggi fisiche al livello più fondamentale potrà un giorno spiegare il perchè della nostra esistenza. La ricerca continua.

Symmetry Magazine: Charge-parity violation