Prima osservazione della violazione della simmetria di CP nelle particelle con charm
L\’asimmetria tra la materia e l\’antimateria osservata nell\’Universo è uno dei più grandi misteri della fisica delle particelle moderna.
Noi, fisici, immaginiamo che al Big Bang fossero presenti uguali quantità di materia e antimateria, ma l’evidenza sperimentale mostra che il presente Universo contiene materia e non antimateria.
Per spiegare questa asimmetria è necessario che le forze fondamentali sappiano distinguere fra materia e antimateria, nel linguaggio della fisica delle particelle si dice che c’è violazione della simmetria di CP.
Cinquant’anni fa i fisici rimasero stupiti quando venne misurata sperimentalmente la violazione di CP, seppur molto piccola, per particelle chiamate kaoni. Successivamente è stato spiegato teoricamente che questo è possibile quando sono presenti almeno tre generazioni di particelle elementari, cioè di quark e leptoni.
Finora la violazione di CP era stata misurata sperimentalmente nelle particelle contenenti quark strange e bottom, risultando però troppo piccola per spiegare l’asimmetria materia – antimateria dell’Universo, mentre la violazione di CP nei leptoni, in particolare nei neutrini, non è ancora stata dimostrata sperimentalmente.
Oggi, grazie all\’esperimento LHCb, questo puzzle da cui dipende l\’esistenza stessa dell\’Universo si arricchisce di un nuovo tassello: la prima osservazione della violazione di CP nel decadimento di particelle contenenti quark charm.
L\’asimmetria tra materia e antimateria registrata in questo caso è dell\’ordine di una parte su mille ed è stato possibile misurarla grazie all\’elevatissimo numero di particelle D0 e D0 bar (contenenti rispettivamente quark charm e anti-quark up e anti-quark charm e quark up) prodotte nelle collisioni protone – protone a LHC. Tali particelle, che vivono per un tempo inferiore ad un milionesimo di milionesimo di secondo, sono state identificate, con tecniche estremamente sofisticate, tramite i loro prodotti di decadimento da un esperimento appositamente pensato per fare misure di questo tipo, collocato nel tunnel del LHC del CERN: LHCb.
Tra gli oltre 1000 fisici di tutto il mondo che fanno parte della collaborazione LHCb si trovano anche vari ricercatori dell\’Università di Padova e della Sezione INFN di Padova.
“Questa scoperta apre la strada ad un nuovo campo di investigazione dell\’asimmetria materia – antimateria, aggiungendo le particelle con quark charm a quelle finora utilizzate per tali studi”, sottolinea Donatella Lucchesi, coordinatrice del gruppo di ricercatori padovano impegnati in LHCb. “Essa conferma anche quanto si era visto finora, ovvero che la violazione di CP nelle particelle composte di quark è spiegata completamente dal cosiddetto Modello Standard delle particelle elementari, ma è troppo piccola per spiegare l’asimmetria cosmica tra materia e anti-materia, quindi ci deve essere in natura qualcos’altro che va oltre le nostre conoscenza attuali, per spiegare il fatto stesso che esistiamo”.
Le misure che saranno fatte nella prossima campagna di presa dati di LHC, prevista iniziare nel 2021, hanno proprio come obiettivo di sondare, con strumenti dalle prestazioni ancora più spinte ed una mole di dati ancora maggiore, eventuali scostamenti dal Modello Standard, alla ricerca di una teoria più completa.
Il gruppo di ricercatori di Padova che collabora all\’esperimento LHCb partecipa attivamente a tali studi, sia mettendo a punto nuove strategie per analizzare i dati sia con la realizzazione di un nuovo rivelatore che potenzierà la capacità di identificare le particelle prodotte nelle collisioni a LHC nella prossima presa dati.