SIMMETRIA CP E OSCILLAZIONE DI SAPORE

Siamo figli di una violazione? Chiedilo ai neutrini

Dov’è finita l’antimateria? Una risposta potrebbe arrivare dall’asimmetria emersa da un centinaio di eventi registrati nel corso di dieci anni di raccolta dati al Super-Kamiokande – contando le oscillazioni da muonici a elettronici di neutrini e antineutrini – dalla collaborazione T2K. ll risultato è pubblicato su Nature

     17/04/2020
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Rappresentazione schematica dei luoghi dell’esperimento T2K. Fonte: https://j-parc.jp/

Da Tokai a Kamioka, andando in auto, sono circa sei ore. Qualcosa di più spostandosi in treno, con cambio a Tokyo. È quasi un coast-to-coast: dalla prefettura di Ibaraki, sulla costa orientale, a quella di Gifu, nell’interno ma a ridosso della costa occidentale del Giappone. Comunque un bel viaggio, durante il quale possono accadere parecchie cose. Si può ascoltare un audiolibro, si può fare qualche sudoku, si può ammirare la cima del monte Asama. Si possono scambiare due battute con il nostro vicino di sedile, e chissà, ci si può perfino innamorare, andando da Tokai a Kamioka. È un viaggio che può sconvolgere la nostra vita per sempre.

Da Tokai a Kamioka, se sei un neutrino, sono 295 km. Un millesimo di secondo. Senza fermate intermedie. Un soffio. Ma anche se sei un neutrino è un viaggio che ti può sconvolgere la vita per sempre. Nel profondo. Trasformandoti da neutrino muonico a neutrino elettronico, per esempio. È un viaggio che i neutrini fanno spesso, quello da Tokai a Kamioka, tanto che i fisici delle particelle hanno dato alla tratta un acronimo: T2K. Oltre a quella di inventare acronimi, i fisici hanno un’altra grande passione: porsi domande che a noi comuni mortali non verrebbero in mente mai. Domande come questa: ma anche se fossi un antineutrino il viaggio da Tokai a Kamioka potrebbe cambiarmi la vita? Con identica probabilità?

Kamioka Observatory. Crediti: Kamioka Observatory, Icrr (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Per rispondere, hanno girato la chiavetta d’accensione dell’acceleratore di protoni J-Park, nella periferia est di Tokai. E hanno diretto un fascio di neutrini e antineutrini muonici verso Super-Kamiokande, un enorme rivelatore situato nella miniera di Kamioka, a un km di profondità. Poi hanno cominciato a contare gli arrivi, smistandoli per sapore. Quanti neutrini strada facendo oscillavano, cambiando identità, da muonici a elettronici? E quanti antineutrini? A prima vista bizzarra, questa è una domanda cruciale per cercare di comprendere un altro enigma – l’enigma all’origine di tutto, letteralmente: perché esistiamo? Perché esiste la materia? Come mai a un certo istante del big bang l’ago della bilancia della natura, in teoria perfettamente al centro – fino alla singola particella fondamentale – fra materia e antimateria, ha preso a spostarsi – lievemente ma inesorabilmente – verso la materia? Impedendo così che tutto ciò che esisteva si trasformasse per annichilazione in pura energia e lasciando, invece, che una piccola frazione di quark e leptoni sopravvivesse a dare sostanza a ciò che ora chiamiamo universo?

Rilevazione di un neutrino elettronico (in alto) e di un antineutrino elettronico (in basso) nel Super-Kamiokande. Quando un neutrino o un antineutrino elettronico interagisce con l’acqua, viene prodotto un elettrone o un positrone. Questi emettono un debole anello di luce Cherenkov, che viene rilevato da quasi 13mila fotorilevatori. Crediti: T2K Collaboration

Affinché ciò sia avvenuto, spiegano i fisici, è stata necessaria una violazione. La violazione di una simmetria. Qualche particella fondamentale deve aver violato la cosiddetta simmetria CP. E deve averlo fatto in modo sufficientemente deciso da imprimere alla storia dell’universo una svolta dal nulla al qualcosa.

Ma c’è qualche particella in grado di compiere questa violazione? Ecco, contando quei neutrini i fisici dell’esperimento T2K cercavano proprio questa risposta. E il conteggio non li ha delusi. I risultati di dieci anni di dati, pubblicati questa settimana su Nature, dicono che colti a oscillare da muonici a elettronici sono stati 90 neutrini e soltanto 15 antineutrini. Numeri diversi. Simmetria violata.

Indagine archiviata, dunque? Possiamo andarcene a dormire sereni sapendo di aver finalmente capito perché esistiamo? Non proprio. Anzitutto, com’è facile intuire anche solo guardando quelle due cifre – 90 e 15 – e raffrontandole al fatto che sono circa cento miliardi i neutrini che attraversano ogni secondo un singolo centimetro quadrato della nostra pelle, qualche dato in più non farebbe male. In particolare, la misura effettuata ha una significatività di 3 sigma – traducendo un po’ brutalmente, la probabilità che il risultato ottenuto non sia frutto del caso è “solo” del 99.7 per cento – mentre gli standard richiedono almeno 5 sigma. Inoltre, se anche fosse confermato, non è detto che la violazione dei soli neutrini sia sufficiente a spiegare tutta la materia dell’universo: potrebbero aver avuto bisogno di qualche “complice” più pesante, per esempio, per mettere a segno un colpaccio come questo. Ma la strada imboccata pare essere quella giusta.

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