L’esperimento LHCb del CERN ha finalmente misurato la violazione di CP nei mesoni D, mostrando come anche il quark charm può essere soggetto a questo comportamento peculiare dell’interazione debole.

In questi giorni si sta svolgendo a Moriond, una piccola località sulle Alpi della Savoia, una conferenza tra le più attese dell’anno, nell’ambiente della fisica delle particelle, e per questa edizione 2019 è arrivata una notizia davvero straordinaria. I fisici dell’esperimento LHCb, uno dei quattro fondamentali di LHC al CERN, hanno misurato per la prima volta la violazione di CP nel sistema dei mesoni D, mostrando come anche i quark charm siano soggetti a questa peculiarità dell’interazione debole. Per capire l’importanza di questa misura può essere utile fare un paio di passi indietro.

In natura esistono tre simmetrie fondamentali a cui i fisici sono molto legati, la simmetria per scambio particella-antiparticella (C), la simmetria “allo specchio” (P) e la simmetria per inversione del tempo (T). Tre delle quattro forze della natura sono descritte dalle stesse equazioni, sia che guardiamo alla realtà sia che guardiamo all’Universo che si ottiene applicando ciascuna di queste tre simmetrie, ma l’interazione debole no.

L’interazione debole le viola tutte e questo è fondamentale, per esempio, per garantire che nell’Universo ci siano più particelle che antiparticelle. Se consideriamo l’Universo primordiale, infatti, ci aspettiamo che nel mare ad altissima energia dei primissimi istanti dopo il Big Bang si formassero e si distruggessero continuamente coppie particella-antiparticella, ma, appunto, sempre coppie con una particella e una antiparticella. A un certo punto deve essere intervenuto “qualcosa” che ha fatto sì che una particella ogni tanto sopravvivesse all’antiparticella con cui era stata generata, producendo tutta la massa dell’Universo. Questo fenomeno è possibile se si violano contemporaneamente C e P, o, come si dice in gergo, si viola CP.

La violazione di CP è stata osservata per la prima volta nel 1964 nei mesoni K, che sono formati da un quark e un antiquark, di cui almeno uno è uno strange o un anti-strange, mentre l’altro appartiene alla prima famiglia, quella di up e down e rispettivi antiquark. In particolare, si osservò che nel comportamento dei K neutri, che sono una mescolanza di down e anti-strange o di strange e anti-down, ci sono delle differenze nella vita media che, se la teoria non violasse CP, non dovrebbero esserci. Questa misura valse il Nobel a James Cronin e Val Fitch nel 1980.

Una seconda misura di violazione di CP si ebbe nel 2001, quando fu osservata nei mesoni B, uguali ai K, ma con un quark beauty o anti-beauty al posto dello strange o dell’anti-strange. Quella misura fu un bel po’ più complicata, perché i B hanno una vita media molto più breve dei K e la violazione di CP è osservabile solo nei prodotti di decadimento, non nella vita media. In seguito a questa seconda misura, nel 2008 il Nobel fu conferito a Kobayashi e Maskawa che, insieme a Cabibbo, avevano inquadrato la violazione di CP nella teoria matematica che descrive tutte le particelle.

Gli spettri di decadimento alla base della scoperta della violazione di CP nel sistema dei mesoni D neutri: in ascissa c’è la massa ricostruita del sistema di particelle nello stato iniziale, calcolata a partire dalle variabili cinematiche delle particelle misurate dopo il decadimento, e in ordinata il numero di conteggi per ogni range di valori. Confrontando le probabilità di decadimento di D0 e anti-D0 nei due canali indicati si ottiene una asimmetria legata alla violazione di CP. (immagine dall’articolo originale di LHCb)

L’esperimento LHCb ha misurato negli ultimi anni alcune decine di milioni di decadimenti di mesoni D neutri, in particolare andando a studiare le differenze nei decadimenti in coppie di pioni o di mesoni K per il D0 e l’anti-D0, formati da un quark charm e un anti-up il primo da un anti-charm e un up il secondo. I due stati finali sono diversi dal punto di vista di CP, quindi se ci sono differenze nelle probabilità di decadimento vuol dire che da qualche parte anche il sistema dei mesoni D neutri viola CP: dopo anni di misure finalmente i fisici di LHCb sono riusciti a misurare questa violazione, con una precisione statisticamente sufficiente da far gridare alla scoperta.

Anche se non inattesa, questa scoperta è di grandissima importanza per la fisica delle particelle. Per la prima volta, infatti, si è osservata una violazione di CP in mesoni contenenti solo quark con carica elettrica pari a 2/3e, aprendo un nuovo capitolo per la comprensione di questo peculiare aspetto dell’interazione debole. Anche nel caso del quark charm, però, la violazione è estremamente piccola, ben al di sotto dei valori che ci aspettiamo per affermare che abbiamo capito da dove viene l’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo… ma mattone dopo mattone stiamo iniziando a capire che se guardiamo abbastanza bene troviamo la violazione di CP in fenomeni che coinvolgono tutti i quark. In attesa di capire se anche nel settore di elettroni e neutrini troveremo questo fenomeno, iniziamo a cercare anche nei mesoni che contengono il quark top!

Immagine di copertina: sezione del rivelatore LHCb

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