Home Astronomia Vista per la prima volta l’asimmetria materia-antimateria in un mesone D0

Vista per la prima volta l’asimmetria materia-antimateria in un mesone D0

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A CP-symmetry transformation swaps a particle with the mirror image of its antiparticle. The LHCb collaboration has observed a breakdown of this symmetry in the decays of the D0 meson (illustrated by the big sphere on the right) and its antimatter counterpart, the anti-D0 (big sphere on the left), into other particles (smaller spheres). The extent of the breakdown was deduced from the difference in the number of decays in each case (vertical bars, for illustration only) (Image: CERN)

La collaborazione LHCb al CERN ha visto, per la prima volta, l’asimmetria materia-antimateria, nota come violazione CP, in una particella chiamata il mesone D0. La scoperta è stata presentata nei giorni scorsi alla conferenza annuale di Rencontres de Moriond, in un seminario dedicato al CERN.

Una scoperta davvero importante

“Il risultato è una pietra miliare nella storia della fisica delle particelle. Fin dalla scoperta del mesone D più di 40 anni fa, i fisici delle particelle hanno sospettato che la violazione di CP si verificasse anche in questo sistema, ma solo ora, utilizzando essenzialmente l’intero campione di dati raccolti dall’esperimento, che la collaborazione LHCb è stata in grado di osservare l’effetto”, ha detto il direttore del CERN per la ricerca e l’informatica, Eckhard Elsen.

La violazione CP

Il termine CP si riferisce alla trasformazione che scambia una particella con l’immagine speculare della sua antiparticella. Le interazioni deboli del modello standard della fisica delle particelle sono note per indurre una differenza nel comportamento di alcune particelle e delle loro controparti CP, un’asimmetria nota come violazione CP.

L’effetto è stato osservato per la prima volta negli anni ’60 al Brookhaven Laboratory negli Stati Uniti in particelle chiamate mesoni K neutri, che contengono uno “strano quark”. Nel 2001, il fenomeno è stato osservato anche in esperimenti presso il laboratorio SLAC negli Stati Uniti e il laboratorio KEK in Giappone nei mesoni B neutri, che contengono un bottom quark. Queste scoperte hanno portato all’attribuzione di due premi Nobel in fisica, uno nel 1980 e un altro nel 2008.

La violazione di CP è una caratteristica essenziale del nostro universo, necessaria per indurre i processi che, in seguito al Big Bang, hanno stabilito l’abbondanza di materia sull’antimateria che osserviamo nell’universo attuale. La dimensione della violazione CP osservata finora nelle interazioni del Modello Standard, tuttavia, è troppo piccola per spiegare lo squilibrio materia-antimateria attuale, suggerendo l’esistenza di ulteriori fonti ancora sconosciute di violazione CP.

Il mesone D0

Il mesone D0 è composto da un charm quark e un antiquark. Finora, la violazione di CP è stata osservata solo in particelle contenenti uno strange quark o da un bottom quark. Queste osservazioni hanno confermato il pattern di violazione CP descritto nel Modello Standard dalla cosiddetta matrice di mixaggio Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), che caratterizza il modo in cui i quark di diversi tipi si trasformano l’uno nell’altro attraverso interazioni deboli. L’origine profonda della matrice CKM e la ricerca di ulteriori fonti e manifestazioni di violazione CP sono tra le grandi questioni aperte della fisica delle particelle.

La scoperta della violazione di CP nel mesone D0 è la prima prova di questa asimmetria per il charm quark, aggiungendo nuovi elementi all’esplorazione di queste domande.

L’esperimento

Per osservare questa asimmetria CP, i ricercatori di LHCb hanno utilizzato l’intero set di dati consegnato dal Large Hadron Collider (LHC) all’esperimento LHCb tra il 2011 e il 2018 per cercare i decadimenti del mesone D0 e della sua antiparticella, l’anti-D0, in entrambi i kaons o pioni.

“La ricerca di questi due prodotti di decadimento nel nostro campione senza precedenti di particelle D0 ci ha dato la necessaria sensibilità per misurare la minima quantità di violazione CP prevista per tali decadimenti. Misurare l’entità della violazione si è quindi ridotto al conteggio dei decadimenti D0 e anti-D0 e alla differenza”, ha spiegato Giovanni Passaleva, portavoce della collaborazione LHCb.

Il risultato ha un significato statistico di 5.3 deviazioni standard, superando la soglia di 5 deviazioni standard utilizzate dai fisici delle particelle per rivendicare una scoperta.

Questa misurazione stimolerà un rinnovato lavoro teorico per valutare il suo impatto sulla descrizione del CPM della violazione CP incorporata nel Modello Standard, e aprirà la finestra alla ricerca di possibili nuove fonti di violazione CP usando particelle charmed.

 

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