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La ricerca sulla violazione di CP

Il concetto di simmetria è uno dei concetti più importanti in fisica, e in particolare nella fisica delle particelle elementari. Simmetrie di vario tipo intervengono nella descrizione delle teorie fisiche, da simmetrie spaziotemporali a simmetrie discrete e interne dei campi quantistici fondamentali.
Rispetto alle simmetrie fondamentali, i diversi tipi di interazione possono comportarsi in modo diverso. E per quanto riguarda le simmetrie discrete C, P e T, le Interazioni Deboli giocano un ruolo davvero speciale.
La simmetria C scambia una particella con la sua anti-particella (se è carica, si tratta di un cambio di segno della carica elettrica). La simmetria P corrisponde all'inversione degli assi spaziali. Infine T inverte il verso di scorrimento del tempo.
Forse la cosa più interessante di queste simmetrie è che singolarmente esse possono venire violate dalle Interazioni Nucleari Deboli, mentre sono rispettate dalle restanti interazioni fondamentali. Le Interazioni Deboli possono violare P oppure T, oppure anche la combinazione CP. D'altra parte avviene invece che l'azione combinata totale di queste tre operazioni, cioè l'azione  di CPT, è invece rigorosamente una simmetria verificata (si, anche dalle Interazioni Deboli!). Si tratta del cosiddetto Teorema CPT, valido nelle teorie quantistiche di campo, che rispettano la Relatività Speciale e sono locali.

La storia di queste violazioni è affascinante,e inizia nel 1956 con l'ipotesi di Lee e Yang sulla non conservazione di P nelle Interazioni Deboli. La conferma sperimentale, che seguì nel 1958, l'esperimento della Wu, è una delle pietre miliari della fisica moderna; fu l'esperienza che dimostrò per la prima volta l'esistenza della violazione della Parità.
La peculiarità delle Interazioni Deboli è anche evidenziata dalla struttura stessa della particella che interagisce "debolmente" per eccellenza: il neutrino. Il neutrino è sempre "sinistrorso" (el'antineutrino sempre "destrorso").
Gli stati osservati del neutrino non sono quindi quelli connessi dalla trasformazione P (che infatti è violata) ma quelli connessi dalla trasformazione CP, la combinazione di P e C.
Agli inizi degli anni Sessanta si riteneva infatti che la simmetria CP fosse una simmetria esatta. Ma una nuova sorpresa era alle porte: l'esperimento di Cronin, Fitch e Turlay (del 1964) dimostrò la violazione di CP nel sistema dei mesoni K.

Poche scoperte in fisica delle particelle hanno aperto filoni così importanti come la scoperta della violazione di CP. L'intero mondo dei mesoni K-zero mostra l'effetto combinato di oscillazione di sapore e violazione di CP e costituisce uno splendido laboratorio per lo studio di questi fenomeni.
Quaranta anni dopo la scoperta della violazione di CP nei mesoni K, lo stesso effetto veniva rilevato nel comportamento del mesone con beauty B neutro (B0) dalle cosiddette B-factories Belle e BaBar. E in tempi più recenti le B-factories ne verificavano l'esistenza anche per i mesoni carichi (B+ e B-). E infine, è recentissima la scoperta della violazione di CP nei mesoni Bs che hanno sia beauty che strangeness, nell'ambito di una ricerca tuttora in corso nell'esperimento LHCb al CERN.
Le implicazioni cosmologiche della violazione di CP sono notevoli. Essa offre infatti la migliore possibilità di comprendere come sia sorta la asimmetria materia-antimateria che ha generato l'Universo così come lo conosciamo oggi,con la sua predominanza di materia (o assenza di antimateria). E al momento la violazione di CP osservata non basta a spiegare questa asimmetria cosmica.
Dal punto di vista teorico, la violazione di CP è presente nel Modello Standard delle Interazioni Deboli quando si abbia un mixing a tre generazioni di quark tra autostati di Sapore ed autostati dell'Interazione Debole. Nella matrice di mixing dei quark, introdotta da Cabibbo (nella sua prima versione a due Sapori), e poi estesa da Kobayashi e Maskawa al caso dei tre sapori, vi è infatti una fase che è legata alla violazione della simmetria di CP.

La ricerca dell'origine della violazione di CP con l'esperimento LHCb al CERN è attualmente in corso e potrà dare risultati molto interessanti negli anni a venire. A questo esperimento partecipa anche il gruppo di Milano composto da Nicola Neri,Fernando Palombo e Jinlin Fu.

 

Marco G. Giammarchi e Nicola Neri


Per leggere l'articolo: http://arxiv.org/abs/1304.6173

15 giugno 2013
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