Osservazione di interazioni pione-pione nei decadimenti di mesoni K

Calorimeter, particularSul numero di febbraio della prestigiosa rivista scientifica Physics Letters B gli ultimi risultati dell’esperimento NA48, linea di ricerca che vede collaborare la Scuola Normale con il CERN di Ginevra, l’INFN, il dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa ed altre Universita’ Italiane ed Europee.

L’esperimento NA48 era stato inizialmente progettato per lo studio della fondamentale asimmetria tra materia ed antimateria nell’universo, studiando l’effetto della violazione della simmetria di carica’-parita’ (CP) nei decadimenti dei mesoni K neutri in due pioni. Dopo aver completato con successo questa linea di ricerca, che ha rappresentato uno dei risultati piu’ significativi in fisica delle particelle elementari degli ultimi anni, una versione modificata dell’apparato e’ stata utilizzata negli ultimi 4 anni per ricerche sui mesoni K carichi, tra cui quella qui discussa. La tematica affrontata rientra nel quadro di quelle ricerche fondamentali che cercano risposte a problematiche cosmologiche fondamentali, quale il fatto che l’universo sia costituito prevalentemente da materia anziche’ da antimateria.

Copertina physics letters bIl nuovo lavoro si riferisce ad un effetto, previsto in linea di principio dalla teoria, ma che non era stato osservato sperimentalmente in precedenza ed è stato possibile apprezzare per la prima volta grazie alle elevate prestazioni del rivelatore dell’esperimento denominato NA48/2; tale esperimento ha raccolto più di 3 miliardi di eventi in cui un mesone K carico decade in 3 mesoni pi-greco (“pioni”) al Superprotosincrotrone del CERN di Ginevra. Tali pioni, prodotti nel decadimento, interagiscono vicendevolmente nei primissimi istanti dalla loro creazione, quando si trovano a distanze reciproche dell’ordine di 10^-13 cm; dalla misura accurata della distribuzione in massa invariante dei due pioni neutri tra i tre prodotti e’ possibile evidenziare l’effetto di tale interazione: tale distribuzione presenta una caratteristica cuspide al valore corrispondente a due volte la massa del pione carico, indicando che talvolta il mesone K era inizialmente decaduto in 3 pioni carichi e due di essi hanno interagito fortemente trasformandosi quindi in 2 pioni neutri. L’aspetto piu’ significativo di questa misura e’ che essa permette, secondo l’interpretazione data inizialmente da N. Cabibbo, di ricavare il valore della lunghezza di diffusione pione-pione, con una precisione migliore di quella ottenuta finora con altri metodi. La misura di precisione delle energie e delle direzioni di volo dei pioni neutri e’ cio’ che permette l’osservazione di un effetto cosi’ minuto: la rivelazione e ricostruzione di tali pioni, che decadono appena prodotti (in un tempo dell’ordine di 10^-16 s) in coppie di raggi gamma, utilizza un calorimetro elettromagnetico a Krypton liquido (20 tonnellate), composto da 13248 celle attive che permettono di ottenere una precisione in energia tipicamente migliore del 1%. Questo rivelatore e’ stato progettato e realizzato dal gruppo di Pisa con il determinante contributo dell’INFN.

calorimetro elettromagnetico a krypton liquido (il rivelatore fondamentale per la misura discussa) durante la sua costruzioneIl gruppo della Scuola Normale, coordinato dal prof. Italo Mannelli, è stato fra i proponenti delle misure poi realizzate dalla collaborazione internazionale al CERN, ed in particolare di quella a cui si riferisce la pubblicazione citata. Tra i membri del gruppo: G. Collazuol, L. Di Lella, L. Fiorini, S. Giudici, A. Michetti, M. Sozzi.

Molteplici le iniziative di interscambio culturale tra la Normale di Pisa e il CERN per fare il punto sulla ricerca. Nel novembre del 2000 il prof. Mannelli fu tra i promotori di una visita didattica al CERN per gli studenti del III e IV anno del corso di laurea in Fisica. Nel giugno 2001 la Scuola ha contribuito all’organizzazione della principale conferenza internazionale sulla fisica dei K: denominata KAON2001, ha visto la partecipazione di oltre un centinaio di fisici delle particelle elementari, sia teorici che sperimentali, a Pisa per una settimana. Nel settembre 2003 la Scuola ha ospitato uno dei meeting che si tengono periodicamente sull’argomento, al quale hanno partecipato fisici di fama internazionale.



Approfondimenti

  • “Observation of a cusp-like structure in the pi0 pi0 invariant mass distribution from K+- —> pi+- pi0 pi0 decay and determination of the pion-pion scattering lenghts”, J.R. Batley et al. (NA48/2 collaboration) Phys. Lett. B, Volume 633, pages 173-182, 9 Feb 2006.
  • Per informazioni sulla attività del gruppo della SNS nella collaborazione NA48 consultare il sito http://web1.sns.it/Groups/Particelle/na48/index_eng.html