LHCb ha osservato un’asimmetria tra materia e antimateria con i quark charm4 min di lettura

Il 21 marzo 2019 è stato un giorno importante per la collaborazione di fisici che lavora all’esperimento LHCb al CERN. Infatti i dati raccolti dalla collaborazione, grazie all’acceleratore di particelle LHC, mostrano un’asimmetria tra materia e antimateria nei processi che coinvolgono una particella chiamata mesone D°.

Voi direte: embè? Avete ragione, detta così non si capisce niente: per capire perché ci sia stato tanto entusiasmo, prima bisogna raccontare un po’ il contesto in breve.

Che cos’è l’antimateria? Perché viviamo in un universo fatto solo di materia?

Ogni particella elementare di materia ha un’antiparticella associata. Le antiparticelle formano quella che si chiama antimateria.

Un’antiparticella e una particella hanno la stessa massa ma altre caratteristiche fisiche opposte. Per esempio, un elettrone è una particella di materia; l’antiparticella dell’elettrone si chiama positrone. Un positrone ha la stessa massa di un elettrone ma carica elettrica opposta (l’elettrone ha carica negativa, il positrone ha carica positiva).

Altro esempio: un atomo di idrogeno ha un protone (particella con carica positiva) nel nucleo e un elettrone che ci gira intorno. Un atomo di antiidrogeno invece ha un antiprotone (particella con la stessa massa del protone ma carica negativa) nel nucleo e un positrone che ci gira intorno.

Ora viene il bello. Quando una particella di materia si scontra con una particella di antimateria, quello che succede è che fanno puff, cioè particella e antiparticella scompaiono e si forma un fotone, cioè luce (attenzione, non per forza luce visibile, radiazione elettromagnetica con una certa frequenza). Questo processo di chiama annichilazione.

Ora, la domanda è: perché nell’universo c’è praticamente solo materia? Perché non abbiamo metà materia e metà antimateria?

L’asimmetria tra materia e antimateria

All’inizio dell’universo, subito dopo la fase del Big Bang (qualunque cosa sia accaduta!) deve esserci stata per forza un’asimmetria tra la quantità di materia e di antimateria e, in particolare, deve esserci stata più materia, altrimenti non saremmo qui a raccontarlo. Se materia e antimateria fossero state in parti esattamente uguali, allora ci sarebbe stata un’annichilazione di tutto e ci saremmo trovati con un universo fatto solo di luce.

Quindi quello che è successo è che magari c’era un sacco di antimateria subito dopo il Big Bang, ma questa antimateria è stata annichilita dalla materia ed è scomparsa. Siccome però c’era un po’ più materia a causa dell’asimmetria, alla fine eccoci qua in un universo completamente dominato dalla materia.

Non sappiamo il motivo di questa asimmetria. Ma sappiamo almeno quali condizioni devono essere soddisfatte affinché ci sia questa asimmetria all’inizio della storia dell’universo.

Ora, le leggi fisiche di solito sono abbastanza simmetriche, però se dobbiamo avere una asimmetria all’inizio dell’universo, allora qualche simmetria deve essere stata violata, è un ragionamento abbastanza logico.

Per esempio, per avere l’asimmetria tra materia e antimateria molto probabilmente è stata (ed è) violata la simmetria CP.

Ora vi racconto di che si tratta.

La violazione della simmetria CP

Nella simmetria CP abbiamo a che fare con due tipi di simmetrie messi insieme: le lettere C e P stanno rispettivamente per charge (carica) e parity (parità).

La simmetria C (charge) vuol dire che se in un sistema fisico scambiamo tutte le particelle con le rispettive antiparticelle allora le leggi fisiche non cambiano, il sistema si comporta come prima, cioè la simmetria C è conservata.

La simmetria P (parity) vuol dire che se in un sistema fisico si scambiano i valori di tutte le coordinate spaziali da positive a negative, allora le leggi fisiche non cambiano. Per esempio, se guardiamo un fenomeno allo specchio, la fisica dovrebbe funzionare allo stesso modo: in quel caso la simmetria P è conservata.

Se facciamo entrambe le cose, cioè sia scambiamo le particelle con le rispettive antiparticelle sia guardiamo le cose allo specchio, che cosa succede? Se non succede niente, allora in questo caso siamo di fronte a una simmetria CP; ma ci sono casi in cui abbiamo già misurato che questa simmetria è stata violata, cioè il sistema fisico dopo una trasformazione CP non si comporta più come prima. In questo caso siamo di fronte a una violazione CP.

La violazione CP è stata misurata già due volte ed entrambe le volte è valsa agli scienziati che l’hanno scoperta un premio Nobel per la fisica; la prima volta fu nel 1964 con James Cronin e Val Fitch che vinsero il premio nel 1980, la seconda volta fu nel 2001 con Kobayashi e Maskawa che vinsero il premio nel 2008. Premio, quest’ultimo, che avrebbe sicuramente meritato anche Nicola Cabibbo (ma questa è un’altra storia e la racconterò un’altra volta).

In entrambi i casi da Nobel, la violazione CP è stata osservata studiando delle particelle chiamate mesoni.

I mesoni e i quark

Le particelle fondamentali della fisica che conosciamo sono i leptoni, i quark e i bosoni di gauge (per esempio i fotoni) e il bosone di Higgs. Occupiamoci oggi solo dei quark.

I quark possono essere di sei tipi, dal meno massivo al più massivo: up, down, strange, charm, bottom, top.

I diversi tipi di quark possono formare altre particelle chiamate barioni o mesoni. I barioni sono formati da tre quark: per esempio un protone è formato da due quark up e un quark down. I mesoni sono particelle formate da un quark e un antiquark.

Per esempio, la violazione CP osservata nel 1964 è stata osservata in un mesone chiamato kaone neutro (mesone K), composto da un quark up e un antiquark strange. La violazione CP osservata nel 2001 invece è stata osservata nei mesoni B, particelle che possono avere un quark up o down e un antiquark bottom. In pratica, finora la violazione CP è stata osservata in particelle composte da quark up, down, strange e bottom.

La nuova scoperta di LHCb: violazione CP anche con quark charm

E ora arriviamo alla scoperta appena fatta al CERN: è stata osservata una violazione studiando i mesoni D°, cioè particelle formate da un quark charm e un antiquark up. Si tratta della prima volta che viene osservata la violazione CP anche in particelle con questo tipo di quark, quindi da qui il grande entusiasmo. Ora manca all’appello solo di osservare violazioni in particelle con quark top.

Questa è la prima pagina con l’abstract dell’articolo della scoperta fatta dalla collaborazione LHCb.

Il succo degli esperimenti è stato quello di misurare quanti mesoni D° e anti-mesoni D° c’erano nelle varie collisioni prodotte dentro LHC rispetto ad altre particelle. Tenendo tutto uguale sia per i mesoni D° sia per gli antimesoni D° ci si aspettava di misurare lo stesso numero di particelle.

E invece no. Gli esperimenti con gli antimesoni D° rappresentano una trasformazione CP (per esempio, perché cambiano tutte le cariche dei quark che compongono il mesone D°) e il fatto che i risultati ottenuti siano diversi implica una violazione della simmetria CP. Nel dettaglio, la differenza tra le misure con mesoni D° e antimesoni D° sono di circa il 10%.

Adesso tocca ai teorici: i risultati di questi esperimenti così importanti devono trovare conferme a livello delle teorie. Solo in questo modo sarà possibile fare qualche altro passo in avanti e capire meglio non solo la violazione CP ma soprattutto capire meglio l’origine dell’asimmetria tra materia e antimateria.


L’articolo scientifico: Observation of CP violation in charm decays