Una trasformazione di simmetria CP scambia una particella con l'immagine speculare della sua antiparticella. La collaborazione con LHCb ha osservato una rottura di questa simmetria nei decadimenti del mesone D0 (illustrato dalla grande sfera a destra) e della sua controparte di antimateria, l'anti-D0 (sfera grande a sinistra), in altre particelle (sfere più piccole). L'entità della rottura è stata dedotta dalla differenza nel numero di decadimenti in ciascun caso (barre verticali, solo a scopo illustrativo). Credito:CERN
I fisici del College of Arts and Sciences della Syracuse University hanno confermato che materia e antimateria decadono in modo diverso per le particelle elementari contenenti quark incantati.
Il distinto professor Sheldon Stone afferma che i risultati sono i primi, sebbene l'asimmetria materia-antimateria sia stata osservata in precedenza in particelle con quark strani o quark di bellezza.
Lui e i membri del gruppo di ricerca High-Energy Physics (HEP) del College hanno misurato, per la prima volta e con una certezza del 99,999 per cento, una differenza nel modo D 0 mesoni e anti-D 0 i mesoni si trasformano in sottoprodotti più stabili.
I mesoni sono particelle subatomiche composte da un quark e un antiquark, legati tra loro da forti interazioni.
"Ci sono stati molti tentativi di misurare l'asimmetria materia-antimateria, ma, fino ad ora, nessuno ci è riuscito, "dice Pietra, che collabora all'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) presso il laboratorio del CERN di Ginevra, Svizzera. "È una pietra miliare nella ricerca sull'antimateria".
I risultati potrebbero anche indicare una nuova fisica oltre il Modello Standard, che descrive come le particelle fondamentali interagiscono tra loro. "Fino ad allora, dobbiamo attendere tentativi teorici per spiegare l'osservazione in mezzi meno esoterici, " Aggiunge.
Ogni particella di materia ha una corrispondente antiparticella, identico in tutto e per tutto, ma con carica opposta. Studi di precisione di atomi di idrogeno e antiidrogeno, Per esempio, rivelare somiglianze oltre la miliardesima cifra decimale.
Quando le particelle di materia e antimateria entrano in contatto, si annientano a vicenda in un'esplosione di energia, simile a quanto accadde nel Big Bang, circa 14 miliardi di anni fa.
"Ecco perché c'è così poca antimateria naturale nell'Universo intorno a noi, "dice Pietra, un membro dell'American Physical Society, che gli ha conferito il W.K.H. Premio Panofsky in Fisica Sperimentale delle Particelle.
La domanda nella mente di Stone riguarda la natura uguale ma opposta di materia e antimateria. "Se la stessa quantità di materia e antimateria esplodesse all'esistenza alla nascita dell'Universo, non avrebbe dovuto essere lasciato indietro altro che pura energia. Ovviamente, che non è successo, "dice con una punta di eufemismo.
Così, Stone e i suoi colleghi di LHCb hanno cercato sottili differenze tra materia e antimateria per capire perché la materia è così diffusa.
La risposta potrebbe trovarsi al CERN, dove gli scienziati creano antimateria rompendo insieme i protoni nel Large Hadron Collider (LHC), il più grande del mondo, più potente acceleratore particolare. Più energia produce LHC, più massicce sono le particelle - e le antiparticelle - formate durante la collisione.
Il Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera è il più grande del mondo, più potente acceleratore di particelle. Credito:CERN
È tra i detriti di queste collisioni che scienziati come Ivan Polyakov, un postdoc nel gruppo HEP di Siracusa, caccia agli ingredienti delle particelle.
"Non vediamo l'antimateria nel nostro mondo, quindi dobbiamo produrlo artificialmente, " dice. "I dati di queste collisioni ci consentono di mappare il decadimento e la trasformazione di particelle instabili in sottoprodotti più stabili".
L'HEP è rinomato per la sua ricerca pionieristica sui quark, particelle elementari che sono gli elementi costitutivi della materia. Ci sono sei tipi, o sapori, di quark, ma gli scienziati di solito ne parlano a coppie:su/giù, fascino/strano e alto/basso. Ogni coppia ha una massa corrispondente e una carica elettronica frazionaria.
Oltre al quark di bellezza (la "b" in "LHCb"), HEP è interessato al quark charmed. Nonostante la sua massa relativamente elevata, un quark incantato vive un'esistenza fugace prima di decadere in qualcosa di più stabile.
Recentemente, HEP ha studiato due versioni della stessa particella. Una versione conteneva un quark charmed e una versione antimateria di un quark up, chiamato quark anti-up. L'altra versione aveva un quark anti-charm e un quark up.
Utilizzando i dati di LHC, hanno identificato entrambe le versioni della particella, bene in decine di milioni, e contato il numero di volte in cui ogni particella è decaduta in nuovi sottoprodotti.
"Il rapporto tra i due possibili risultati avrebbe dovuto essere identico per entrambi gli insiemi di particelle, ma abbiamo scoperto che i rapporti differivano di circa un decimo di punto percentuale, "Stone dice. "Questo dimostra che la materia incantata e le particelle di antimateria non sono totalmente intercambiabili".
Aggiunge Polyakov, "Le particelle potrebbero sembrare le stesse all'esterno, ma si comportano diversamente all'interno. Questo è il puzzle dell'antimateria".
L'idea che materia e antimateria si comportino diversamente non è nuova. Precedenti studi su particelle con quark strani e quark bottom lo hanno confermato.
Ciò che rende questo studio unico, Stone conclude, è che è la prima volta che qualcuno ha visto particelle con quark incantati essere asimmetriche:"È uno per i libri di storia".
