Dai dati raccolti dal rivelatore LHCb al Large Hadron Collider, sembra che le particelle note come mesoni di fascino e le loro controparti di antimateria non siano prodotte in proporzioni perfettamente uguali. I fisici di Cracovia hanno proposto la propria spiegazione di questo fenomeno e presentato previsioni correlate sulle conseguenze che sono particolarmente interessanti per l'astronomia dei neutrini ad alta energia.

Nei primi momenti dopo il Big Bang, l'universo era pieno di uguali quantità di particelle e antiparticelle. Mentre si stava raffreddando, materia e antimateria cominciarono a fondersi e ad annichilirsi, diventando radiazione. La materia che è sopravvissuta all'annientamento ora comprende l'universo, ma questo squilibrio è poco compreso. Per decifrare questo grande mistero della scienza moderna, i fisici stanno cercando di comprendere meglio tutti i meccanismi responsabili anche delle più piccole sproporzioni nella produzione di particelle e antiparticelle. Un gruppo di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia, associato all'esperimento LHCb al Large Hadron Collider di Ginevra, recentemente ha esaminato uno di questi processi:l'asimmetria che appare alla nascita dei mesoni e degli antimesoni di fascino. Le conclusioni dell'analisi potrebbero avere un significato pratico molto tangibile.

Secondo la fisica moderna, i quark sono i più importanti elementi costitutivi indivisibili che compongono la materia. Conosciamo sei gusti di quark:up (u), giù (d), strano (i), fascino (c), in basso (b) e in alto (t); ogni sapore ha anche la sua controparte di antimateria (spesso contrassegnata da un trattino sopra la lettera, leggi come "bar"). I quark si formano generalmente in coppie quark-antiquark. Sono particelle estremamente socievoli:quasi subito dopo essere nate, si legano agli adroni, o gruppi di due, tre, e talvolta più quark o antiquark, legato con gluoni (cioè particelle che trasferiscono forti interazioni nucleari). Il processo di combinazione di quark/antiquark in complessi è chiamato adronizzazione.

Gli adroni instabili formati da coppie quark-antiquark sono chiamati mesoni. Se uno dei quark in un mesone è un quark charm, la particella è chiamata mesone charm ed è indicata dalla lettera D (o per l'antiquark charm:D con una barra sopra). Una coppia costituita da un quark charm e da un antiquark down è un mesone D+, e uno costituito da un antiquark charm e da un quark down è un mesone D-.

Nelle misurazioni effettuate nell'ultimo quarto di secolo, incluso di recente come parte dell'esperimento LHCb, è stata notata un'interessante asimmetria. Si è scoperto che i mesoni D+ e D- non sono sempre prodotti esattamente nelle stesse proporzioni. Nel caso di processi osservati in LHCb, iniziato in collisioni di fasci controcorrente di protoni ad alta energia, questa asimmetria era piccola, meno dell'uno per cento.

"I quark charm si formano principalmente durante le collisioni di gluoni nelle cosiddette interazioni hard, e dopo la nascita, si adronizzano in mesoni D. Abbiamo studiato un altro meccanismo di formazione dei mesoni, nota come frammentazione di quark sfavorevole. Qui, il mesone charm si crea come risultato dell'adronizzazione di una luce (su, fuori uso, o strano) quark o antiquark. Attraverso le sfumature di questo meccanismo, l'asimmetria tra kaons e antikaons, cioè K+ e K- mesoni, è stato spiegato in precedenza. Fino ad ora, però, non è stato studiato se un meccanismo simile potrebbe spiegare l'asimmetria tra i mesoni D+ e D- relativamente massicci, " afferma il dottor Rafal Maciula (IFJ PAN), il primo autore della pubblicazione sulla rivista Revisione fisica D .

Il rivelatore LHCb misura principalmente le particelle che divergono dal punto di collisione dei protoni a grandi angoli rispetto alla direzione originale di movimento di questi protoni. Secondo i fisici di Cracovia, l'asimmetria nella produzione dei mesoni D dovrebbe essere molto maggiore se si considerano le particelle prodotte in una direzione in avanti, questo è, lungo la direzione dei fasci di protoni. Ciò significa che la sproporzione attualmente osservata potrebbe essere solo la punta di un iceberg. I calcoli suggeriscono che nel caso di collisioni "in avanti", frammentazione sfavorevole (d, tu, s ' D) può essere paragonabile alla frammentazione convenzionale (c ' D). Di conseguenza, l'asimmetria tra i mesoni D+ e D- può raggiungere una percentuale elevata, anche a energie di collisione inferiori a quelle che si verificano attualmente nell'LHC.

La ricerca dei fisici dell'IFJ PAN potrebbe avere conseguenze di vasta portata per gli osservatori di neutrini come l'Osservatorio IceCube in Antartide. Questo rivelatore, in cui collaborano 49 istituzioni scientifiche di 12 paesi, controlla un chilometro cubo di ghiaccio, situato a quasi un chilometro sotto la superficie, utilizzando migliaia di fotomoltiplicatori. I fotomoltiplicatori tracciano sottili lampi di luce avviati dall'interazione delle particelle che formano il ghiaccio con i neutrini, particelle elementari che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria.

IceCube registra diverse centinaia di neutrini al giorno. È noto che una gran parte di essi viene creata nell'atmosfera terrestre in processi avviati dai raggi cosmici e che si verificano con la partecipazione di protoni. Altri neutrini possono provenire dal nucleo terrestre o dal Sole. Si presume, però, che neutrini con energie significative hanno raggiunto il rivelatore direttamente da lontane sorgenti cosmiche, comprese le supernove, fusione di buchi neri o stelle di neutroni.

"Quando si interpretano i dati dal rilevatore IceCube, la produzione di neutrini nell'atmosfera terrestre causata dalla normale radiazione cosmica, comprese le collisioni che coinvolgono protoni, viene preso in considerazione. Il fatto è che alcuni di questi processi, con conseguente formazione di neutrini ad alta energia, avvengono con la partecipazione di mesoni D. Nel frattempo, mostriamo che il meccanismo di produzione di questi mesoni nell'atmosfera può essere molto più efficiente di quanto si pensasse in precedenza. Così, se le nostre ipotesi sono confermate, alcuni dei neutrini altamente energetici registrati, ora considerato di origine cosmica, sono effettivamente apparsi appena sopra le nostre teste e stanno disturbando il quadro reale degli eventi nelle profondità dello spazio, " spiega il Prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Quando si vede solo la punta dell'iceberg, inferenze su come appare il resto è più che rischioso. Il modello proposto dai fisici di Cracovia ha oggi lo status di ipotesi. Forse descrive completamente il meccanismo che si verifica nella realtà. Ma può anche essere che altri processi siano responsabili dell'asimmetria nella produzione di mesoni D, forse in parte o addirittura nella loro totalità.

"Fortunatamente, nessun'altra proposta competitiva prevede un aumento così netto dell'asimmetria nella produzione di mesoni D a energie di collisione inferiori. Quindi, per verificare le nostre ipotesi, nell'acceleratore LHC basterebbe dirigere un singolo raggio su un bersaglio fisso, che ridurrebbe significativamente l'energia di collisione. Il nostro modello soddisfa quindi i criteri di una scienza molto attendibile:non solo spiega osservazioni precedenti, ma soprattutto, può essere rapidamente verificato. Inoltre, questo può essere fatto molto a buon mercato, " dice il prof. Szczurek.