Bellezza asimmetrica
Violazione CP nell'esperimento Babar.
di Crisostomo Sciacca
a.
Nel laboratorio giapponese Kek, l'esperimento Belle, come lo statunitense Babar, studia la violazione di simmetria CP dei mesoni B.
Questa scoperta ha visto la competizione di due gruppi sperimentali, Babar a Stanford in California, con una rilevante partecipazione dell’Infn, e Belle in Giappone. In ambedue i casi, è stato necessario costruire macchine acceleratrici dedicate, nelle quali elettroni e positroni collidono con energia complessiva di quasi 11 GeV, l’energia ottimale per creare le particelle denominate Y(4S), formate da un quark e un antiquark di tipo beauty, che decade quasi istantaneamente generando una coppia di mesoni B0 e anti-B0 o una coppia di mesoni B+ B-, con quasi uguale probabilità. Il modo più chiaro per mettere in evidenza la violazione CP è quello di studiare il decadimento del B0 con creazione di una particella J/ψ (coppia di quark e antiquark di tipo charm), assieme a un K0, in particolare quello a vita breve, il KS. Questo processo è raro, ed è quindi obbligatorio raggiungere elevatissime intensità di collisioni: non a caso queste macchine vengono denominate B factories, cioè fabbriche di B.
Ma come si può mettere in evidenza se c’è violazione della simmetria CP, cioè se materia e antimateria si comportano in modo differente? Per rispondere alla domanda dobbiamo sottolineare alcuni aspetti legati al mondo sorprendente della meccanica quantistica. Innanzitutto, la coppia di mesoni B0 creati dal decadimento della particella Y(4S) allontanandosi dal punto di creazione possono “cambiare natura”: un B0 può trasformarsi spontaneamente in un anti-B0 (e viceversa). E, fatto ancor più misterioso, se uno dei due decide di trasformarsi, il secondo è costretto a mutarsi in senso opposto, allo stesso istante e a qualunque distanza essi si trovino: la loro esistenza è “intrecciata”. Nel gergo dei fisici, questi due sorprendenti fenomeni vengono chiamati rispettivamente mixing ed entanglement, e sono la chiave per affrontare la violazione CP. Ma i “misteri” non finiscono qui: nella strategia di misura entra in gioco un’altra bizzarria della meccanica quantistica, l’interferenza tra decadimenti diversi che portano allo stesso stato finale. Va notato preliminarmente che sia il B0 che l’anti-B0 possono decadere nella coppia J/ψ e KS.
Esaminiamo ora cosa accade al B0 della coppia nata dal decadimento della Y(4S) (discorso analogo vale per l’anti- B0): esso può decadere nella coppia J/ψ e KS o direttamente o dopo una sua trasformazione in anti-B0 , cioè dopo un suo mixing. Ebbene, nel mondo dell’esperienza quotidiana diremmo che, se allo stesso risultato finale si può arrivare con due strade diverse, ciascuna caratterizzata da una certa probabilità di avverarsi, la probabilità complessiva si ottiene semplicemente “sommando” le due probabilità individuali. Tutt’altra storia in meccanica quantistica: la probabilità finale può essere minore, uguale o maggiore, nasce un “termine di interferenza” tra i due percorsi possibili, che può essere negativo, nullo o positivo a seconda dei casi! E qui siamo al punto centrale della strategia di misura. La teoria ci dice che se vi è violazione CP questo curioso effetto è diverso a seconda che si studi il B0 oppure l’anti-B0 e, di conseguenza, il tempo di decadimento ne risente in maniera misurabile. Abbiamo ora gli ingredienti necessari, schematizzati nella fig. 1.
Naturalmente, il gioco è stato tutt'altro che semplice. Infatti, il ritardo tra i due decadimenti, il Δt della fig. 1, in realtà viene misurato attraverso la distanza tra i due "vertici" di decadimento, che distano alcune centinaia di micron, nota la velocità dei due B0, dell'ordine di metà della velocità della luce: per fare misure di così alta precisione, Babar ha costruito un complesso rivelatore di tracce (tracciatore), costituito da sensori di silicio che avvolgono il punto di collisione. Ma non basta: se il collisore fosse stato di tipo tradizionale, con due fasci della stessa energia, le distanze da misurare sarebbero ben al di sotto dei valori raggiungibili. Per risolvere il problema, sia l'acceleratore americano che quello giapponese hanno una caratteristica essenziale, sono due macchine "asimmetriche", i due fasci hanno energie significativamente diverse, e di conseguenza i due B0 viaggiano nel verso del fascio più energetico e i vertici di decadimento sono più lontani rispetto al caso di una macchina simmetrica. Il rivelatore Babar è stato costruito a strati concentrici, ciascuno con rivelatori diversi adatti a misurare ciò che emerge dalle collisioni (vd. fig. b). Allontanandosi dal centro, si trova una camera a fili che misura le tracce delle particelle cariche, un rivelatore di elettroni e fotoni in grado di misurarne l'energia, un identificatore di particelle basato sull'effetto Cherenkov (vd. Asimmetrie n. 10, "Raggi cosmici", settembre 2010), uno speciale solenoide magnetico superconduttore (progettato e costruito in Italia) che curva le particelle cariche permettendone la misura dell'impulso, e un rivelatore per muoni all'interno degli strati di ferro che racchiudono l'apparato e raccolgono le linee di forza del campo magnetico. Dal 2001, anno del primo risultato con i B neutri, sino a oggi sono state eseguite un gran numero di analisi utilizzando altri processi, anche con l'uso di B carichi. I risultati, numerosissimi, sono tra loro coerenti, confermano con straordinaria precisione le previsioni del modello standard e non danno adito a dubbi: i mesoni K non sono più soli, anche i B dimostrano che le interazioni deboli violano CP, provando che materia e antimateria hanno un comportamento diverso.
[as] approfondimento
Strategia di misura
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Fisica del sapore in Lhc
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Biografia
Crisostomo Sciacca è professore di fisica all’Università “Federico II” di Napoli. Ha svolto la sua attività di ricerca in fisica delle particelle elementari nei Laboratori Nazionali di Frascati, al Cern e a Stanford nell’esperimento Babar.
Link
http://www.slac.stanford.edu/BF/
http://www-public.slac.stanford.edu/babar/
http://lhcb.web.cern.ch/lhcb-public/
http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/
http://web.infn.it/lhcb_bologna/index.php/lhcb-virtual-tour
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