Il lavoro di analisi all’interno della Collaborazione LHCb che ha permesso di raggiungere un tale risultato ha coinvolto un gruppo di ricerca interamente guidato da fisici italiani, tutti afferenti all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, tra cui Michael J. Morello, professore aggregato di Fisica Sperimentale della Scuola Normale. Da molti anni Morello svolge misure di altissima precisione nel settore quark charm, ed ha avuto un ruolo di primo piano nello sviluppo delle metodologie di analisi dati che hanno permesso di raggiungere precisioni di una parte su diecimila, necessarie per osservare un effetto estremamente piccolo, ma nello stesso tempo di enorme importanza per la fisica dei quark pesanti. Il Dott. Morello ha presieduto il comitato interno alla Collaborazione LHCb che ha revisionato il lavoro scientifico in vista della pubblicazione del risultato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.
Di Michael J. Morello
Il 21 marzo 2019, durante una delle più importanti conferenze internazionali delle Fisica delle Alte Energie “Rencontres de Moriond”, e in contemporanea in un seminario speciale al CERN, la Collaborazione LHCb ha annunciato un nuovo risultato sperimentale di portata storica. Si tratta della prima osservazione di violazione della simmetria CP nel settore del quark charm. Questa scoperta costituisce il coronamento di un intero capitolo della fisica fondamentale iniziato nel 1964 con la scoperta della violazione della simmetria CP nei quark strange, che finora era stato possibile osservare sperimentalmente solo nei quark di tipo down.
Le interazioni fondamentali tra le particelle elementari, che hanno determinato l’evoluzione dell’Universo dal Big Bang ai nostri giorni, non sono perfettamente simmetriche sotto l’operazione combinata di coniugazione di carica C (che trasforma una particella nella sua antiparticella) e parità spaziale P (che inverte le coordinate spaziali e il moto delle particelle). Questa leggera asimmetria, secondo le teorie più accreditate, è all’origine della composizione dell’Universo così come lo conosciamo oggi, dominato in larghissima misura dalla materia, e con una esigua presenza di antimateria, nonostante originariamente le due dovessero essere presenti in egual misura.
Lo studio sempre più approfondito di processi e interazioni che violano la simmetria di CP è perciò da sempre di grande importanza nella fisica fondamentale e rappresenta un test di altissima precisione del Modello Standard, l’attuale teoria che spiega tutti i fenomeni che osserviamo in natura e nei potenti acceleratori di particelle che l’uomo ha costruito nelle ultime decadi. Il Modello Standard predice, anche se con un’intensità molto piccola, la violazione di CP nei decadimenti delle particelle composte dal quark charm, che però hanno sempre eluso le ricerche sperimentali, sino ad oggi.
L’esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty), installato al Large Hadron Collider di Ginevra, è attualmente l’esperimento di punta in questo campo essendo stato progettato specificatamente per lo studio della violazione di CP nei decadimenti di particelle composte dal quark beauty (mesoni B dotati di “bellezza”), da cui il nome LHCb, e dal quark charm (mesoni D dotati appunto di “fascino”). Durante i primi suoi due periodi di presa dati, LHCb ha raccolto i campioni di dati, di gran lunga i più abbondanti al mondo, permettendo così di esplorare per la prima volta livelli di precisioni mai raggiunti prima.
La sfida sperimentale più grande è stata sicuramente quella di eliminare, al livello di precisione necessario, tutte le asimmetrie spurie che potrebbero falsare la misura, dal momento che l’apparato sperimentale di LHCb è intrinsecamente asimmetrico sotto la trasformazione di CP, essendo costituito di materia e non di antimateria.
Data la complessità delle predizioni teoriche per questo tipo di osservabile, non è possibile stabilire da questo singolo risultato se la natura di questa nuova forma di violazione di CP sia “standard” oppure sia un segnale di “nuova” fisica – tuttavia esso apre sicuramente un nuovo capitolo di possibili misure in ulteriori modi di decadimento e di sempre maggiori raffinamenti dei calcoli teorici, che potranno un giorno dare una risposta definitiva a una delle domande fondamentali della fisica moderna: perché siamo fatti di materia e non di antimateria?
