Protone e antiprotone, elettrone e positrone, quark e antiquark. Cosa succede se una particella incontra la sua antiparticella? Si annichilano. Quando un elettrone si annichila con un positrone, ad esempio, vengono prodotti due fotoni. Un lampo di luce. Le due si annichilano e producono altre particelle. Per ogni particella di materia “normale” che costituisce il nostro universo esiste una anti-particella, e all’inizio il loro numero era identico. Come ha fatto allora la materia a prevalere sull’antimateria? Cosa ha impedito che tutte le particelle si annichilassero subito dopo essere state prodotte dal plasma primordiale? A questa domanda i fisici cercano risposta in un fenomeno che chiamano “violazione della simmetria CP (charge-parity)”, usando esperimenti ad altissima energia come le violente collisioni fra particelle prodotte al Large Hadron Collider (Lhc) del Cern, a Ginevra. Nei primi anni Duemila, i fisici hanno trovato indizi e prove di questa violazione di simmetria in particolari particelle chiamate mesoni, ma non tali da spiegare come mai la materia abbia prevalso sull’antimateria. Poi più nulla. Infine lo scorso marzo, durante la conferenza annuale Rencontres de Moriond, che si tiene in Italia, a La Thuile (Valle d’Aosta), un annuncio: anche i barioni sono soggetti a questa violazione di simmetria, e finalmente è arrivata la conferma sperimentale. L’articolo scientifico che ne parla è stato pubblicato la scorsa settimana su Nature.
L’esperimento Lhcb al Cern. Crediti: Cern
Le nuove scoperte si basano su esperimenti condotti al Cern nell’ambito dell’esperimento Lhcb (dove la b sta per beauty, e fra un attimo capiremo perché), che ha lo scopo di misurare i parametri della violazione della simmetria CP e i decadimenti relativi agli adroni in cui è presente il quark beauty (quark b), da cui appunto il nome dell’esperimento. Ora, facciamo un passo indietro e cominciamo facendo l’appello dei soggetti coinvolti in questa vicenda.
Primi fra tutti i barioni, particelle che costituiscono la materia “visibile” dell’universo fra i quali troviamo ad esempio protoni e neutroni. A loro volta, protoni e neutroni sono composti di particelle elementari chiamate quark, di cui ne esistono diversi tipi, o sapori, come dicono i fisici. Un neutrone ad esempio è composto di due quark down e un quark up, mentre un protone di due quark up e un quark down. Ma la vera protagonista dell’esperimento che ha condotto alla notizia di oggi è una sorta di cugina alla lontana di protoni e neutroni e si chiama “barione beauty-lambda”, o lambda-b, essenzialmente un neutrone in cui un quark down è stato sostituito da un quark beauty. Questa particella può essere prodotta dallo scontro fra protoni e, in seguito, decade in un protone e altre tre particelle.
Durante il primo e il secondo ciclo di Lhc, dal 2009 al 2013 e dal 2015 al 2018, i fisici hanno osservato il decadimento della particella lambda-b e anche della sua antiparticella, cercando differenze fra i due processi. Ci sono voluti circa 80mila decadimenti per accumulare la statistica necessaria a formulare una risposta valida: la differenza tra il numero di decadimenti lambda-b e anti-lambda-b differisce da zero di 5,2 deviazioni standard. In altre parole, il decadimento di lambda-b sarebbe un poco più probabile del decadimento della sua antiparticella. È la prima volta che si raccolgono osservazioni della violazione di CP nei barioni, e l’importanza di questa scoperta riguarda proprio il fatto che la materia ordinaria di cui è fatto l’universo – noi compresi – è proprio costituita da barioni.
Questa osservazione comunque non basta per spiegare come mai la materia abbia finalmente prevalso sull’antimateria permettendo l’esistenza dell’universo, e i fisici pensano che la risposta vada cercata anche oltre le violazioni previste dall’attuale Modello standard delle particelle elementari.
«Più sono i sistemi in cui osserviamo violazioni di CP e quanto più precise sono le misurazioni, tanto maggiori sono le opportunità che abbiamo di testare il Modello standard e di cercare fisica al di là di esso», dice Vincenzo Vagnoni, portavoce dell’esperimento Lhcb. «La prima osservazione in assoluto di violazione di CP in un decadimento barionico apre la strada a ulteriori indagini teoriche e sperimentali sulla natura della violazione di CP, offrendo potenzialmente nuovi vincoli per la fisica al di là del Modello standard».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Observation of charge-parity simmetry breaking in baryon decays“, della Lhcb Collaboration