L’esperimento Lhcb. Crediti: Cern
Si scosta un altro po’ il velo che avvolge il mistero dell’asimmetria tra materia e antimateria: un’asimmetria minuscola ma sufficiente a far sì che il nostro universo esista e sia fatto esclusivamente di materia. È stata, infatti, scoperta nei decadimenti delle particelle charm (ossia particelle che contengono un quark c, che ha carica elettrica +2/3 rispetto a quella dell’elettrone) un’asimmetria di comportamento rispetto alle loro antiparticelle, chiamata violazione di CP (cioè di carica e di parità). In particolare, la violazione di CP è stata osservata nei mesoni D0. La misura è stata ottenuta dall’esperimento Lhcb, uno dei quattro enormi rivelatori dislocati lungo l’anello sotterraneo di 27 km dell’acceleratore Lhc del Cern, ed è stata coordinata dal gruppo di Bologna dell’Infn – Istituto nazionale di fisica nucleare che fa parte della collaborazione scientifica Lhcb.
«L’osservazione di questo fenomeno, previsto dalla teoria ma sfuggito fino ad oggi alla conferma sperimentale, rappresenta per la fisica delle particelle il raggiungimento di una nuova pietra miliare», commenta Vincenzo Vagnoni, responsabile del gruppo Lhcb della Sezione Infn di Bologna. «Si tratta di una misura complessa: per realizzarla è stato necessario progettare e costruire strumenti di indagine potenti come l’acceleratore Lhc e il nostro rivelatore Lhcb, e ci sono voluti quasi dieci anni di lavoro da parte del nostro gruppo di ricerca».
Il risultato – che ha una significatività statistica di 5.3 sigma (deviazioni standard), superiore quindi alla soglia di 5 sigma convenzionalmente adottata dai fisici delle particelle per affermare in maniera inequivocabile una scoperta – viene presentato oggi, 21 marzo, alla conferenza Rencontres de Moriond EW e di un seminario al Cern dai ricercatori italiani Federico Betti e Angelo Carbone, entrambi della Sezione Infn e dell’Università di Bologna.
«Aver contribuito alla realizzazione di questa misura», racconta Federico Betti, «è stata per me un’esperienza entusiasmante. Ho lavorato ininterrottamente all’analisi dei dati durante gli ultimi due anni e mezzo, inserendomi in un lavoro quasi decennale portato avanti dal nostro gruppo di ricerca».
«Abbiamo realizzato una misura di altissima precisione che ha richiesto un lunghissimo lavoro», spiega Angelo Carbone. «La differenza di comportamento tra le particelle D0 e le corrispondenti antiparticelle è, infatti, molto piccola, e abbiamo avuto bisogno di produrre e ricostruire decine di milioni di loro decadimenti per poterla osservare e misurare con precisione».
I quark e la violazione di CP
I quark possono essere suddivisi in due categorie: quelli di “tipo up” con carica +2/3 denominati quark up (u), charm (c) e top (t), e quelli di “tipo down” con carica -1/3, i quark down (d), strange (s) e beauty (b). Differenze di proprietà tra materia e antimateria derivanti dal cosiddetto fenomeno della violazione della simmetria CP erano state osservate in passato solo nei decadimenti di particelle strange e beauty, cioè particelle che contengono quark s o quark b. La violazione di CP non era mai stata misurata prima d’ora nei decadimenti di particelle che contengono quark con carica di +2/3.
«Questa scoperta», spiega Giovanni Passaleva dell’Infn di Firenze, che è a capo della collaborazione internazionale Lhcb, «apre ora un nuovo campo di studi per la fisica delle particelle: la comprensione degli effetti della violazione di CP anche nella categoria di quark di tipo up. La violazione di CP è uno dei processi chiave per comprendere fino in fondo e spiegare perché l’universo di oggi sia composto solo di particelle di materia, e non vi sia presenza di antimateria residua».
Il fenomeno della violazione di CP fu osservato per la prima volta nel 1964 nel decadimento dei mesoni K neutri, e i due fisici che fecero la scoperta, James Cronin e Val Fitch, furono insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1980. A quel tempo, la scoperta rappresentò una grande sorpresa per la comunità dei fisici delle particelle, allora fermamente convinta che la simmetria CP non potesse essere violata.
Si poneva, quindi, il problema di come inserirla nella descrizione matematica della teoria. Un primo contributo teorico, successivamente rivelatosi fondamentale per lo sviluppo di una descrizione completa del fenomeno, era già stato fornito in un celebre articolo del 1963 da Nicola Cabibbo, il quale aveva capito che l’interazione debole ‘interpreta’ le particelle composte da quark come il risultato del mescolamento dei loro vari tipi. Partendo dalle fondamenta gettate da Cabibbo, i giapponesi Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa realizzarono all’inizio degli anni ’70 che la violazione di CP poteva essere inclusa nel quadro teorico che oggi conosciamo come Modello Standard della fisica delle particelle elementari a condizione che esistessero in natura almeno sei diversi tipi di quark. Alla matrice che descrive il mescolamento dei quark fu dato poi il nome di matrice CKM, dalle iniziali dei cognomi tre fisici teorici. L’idea fu confermata definitivamente tre decenni dopo con la scoperta della violazione di CP nei decadimenti delle particelle beauty da parte degli esperimenti BaBar negli Stati Uniti e Belle in Giappone, risultato che condusse al riconoscimento del premio Nobel per la fisica nel 2008 a Kobayashi e Maskawa.
«Questa teoria spiega tutti gli effetti di violazione di CP finora noti nella fisica delle particelle ed è stata ulteriormente confermata da altre misure, molte ottenute dall’esperimento Lhcb», spiega Matteo Palutan, ricercatore dei Laboratori nazionali Infn di Frascati e rappresentante nazionale della collaborazione Lhcb. «La stessa teoria prevede anche la minuscola violazione di CP nei decadimenti delle particelle charm che finalmente siamo riusciti a provare sperimentalmente con questa misura».
L’entità della violazione di CP osservata finora nelle interazioni del Modello Standard è, tuttavia, troppo piccola per spiegare l’asimmetria materia-antimateria che osserviamo in natura, suggerendo l’esistenza di ulteriori processi ancora
sconosciuti che violino più fortemente la simmetria CP. Questa misura stimolerà un rinnovato lavoro teorico per valutarne l’impatto sulla descrizione fornita dalla matrice CKM nel contesto del Modello Standard, e aprirà la strada alla ricerca di possibili nuovi processi di violazione di CP nelle particelle charm. La ricerca prosegue dunque nel suo intento di scovare effetti che evidenzino l’incompletezza del Modello Standard nella descrizione della realtà fisica, per aprire nuovi orizzonti alla conoscenza dei meccanismi di funzionamento del nostro universo.