Una collaborazione internazionale di fisici teorici, tra cui scienziati del Brookhaven National Laboratory (BNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del RIKEN-BNL Research Center (RBRC), ha pubblicato un nuovo calcolo relativo alla ricerca di una spiegazione della predominanza della materia sull'antimateria nel nostro universo. La collaborazione, noto come RBC-UKQCD, comprende anche scienziati del CERN (il laboratorio europeo di fisica delle particelle), Università della Columbia, l'Università del Connecticut, l'Università di Edimburgo, il Massachusetts Institute of Technology, l'Università di Ratisbona, e l'Università di Southampton. Descrivono il loro risultato in un articolo da pubblicare sulla rivista Revisione fisica D ed è stato evidenziato come un "suggerimento dell'editore".

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta una leggera differenza nel comportamento della materia e dell'antimateria, nota come violazione della "simmetria CP", mentre studiavano i decadimenti di particelle subatomiche chiamate kaoni in un esperimento vincitore del premio Nobel al Brookhaven Lab nel 1963. Mentre il modello standard di la fisica delle particelle fu messa insieme subito dopo, comprendere se la violazione osservata di CP nei decadimenti del kaone concordata con il Modello Standard si sia rivelata elusiva a causa della complessità dei calcoli richiesti.

Il nuovo calcolo fornisce una previsione più accurata della probabilità con cui i kaoni decadono in una coppia di pioni carichi elettricamente rispetto a una coppia di pioni neutri. Comprendere questi decadimenti e confrontare la previsione con misurazioni sperimentali più recenti allo stato dell'arte fatte al CERN e al Fermi National Accelerator Laboratory del DOE offre agli scienziati un modo per testare piccole differenze tra materia e antimateria, e cercare effetti che non possono essere spiegati dal Modello Standard.

Il nuovo calcolo rappresenta un miglioramento significativo rispetto al precedente risultato del gruppo, pubblicato in Lettere di revisione fisica nel 2015. Sulla base del Modello Standard, fornisce un intervallo di valori per quella che viene chiamata "violazione diretta della simmetria CP" nei decadimenti del kaone che è coerente con i risultati misurati sperimentalmente. Ciò significa che la violazione CP osservata è ora, al meglio delle nostre conoscenze, spiegato dal Modello Standard, ma l'incertezza nella previsione deve essere ulteriormente migliorata poiché c'è anche l'opportunità di rivelare qualsiasi fonte di asimmetria materia/antimateria che si trova oltre la descrizione della teoria attuale del nostro mondo.

"Un calcolo teorico ancora più accurato del Modello Standard potrebbe ancora trovarsi al di fuori dell'intervallo misurato sperimentalmente. È quindi di grande importanza che continuiamo i nostri progressi, e affinare i nostri calcoli, in modo che possiamo fornire una prova ancora più forte della nostra comprensione fondamentale, ", ha affermato il teorico del Brookhaven Lab Amarjit Soni.

Squilibrio materia/antimateria

"La necessità di una differenza tra materia e antimateria è incorporata nella moderna teoria del cosmo, ", ha detto Norman Christ della Columbia University. "La nostra attuale comprensione è che l'universo attuale è stato creato con quantità quasi uguali di materia e antimateria. Fatta eccezione per i piccoli effetti studiati qui, materia e antimateria dovrebbero essere identiche in tutto, al di là delle scelte convenzionali come assegnare una carica negativa a una particella e una carica positiva alla sua antiparticella. Qualche differenza nel modo in cui operano questi due tipi di particelle deve aver ribaltato l'equilibrio per favorire la materia sull'antimateria, " Egli ha detto.

"Qualsiasi differenza tra materia e antimateria che è stata osservata fino ad oggi è troppo debole per spiegare la predominanza della materia trovata nel nostro universo attuale, " ha continuato. "Trovare una discrepanza significativa tra un'osservazione sperimentale e le previsioni basate sul modello standard potrebbe potenzialmente indicare la strada a nuovi meccanismi di interazioni tra particelle che vanno oltre la nostra attuale comprensione e che speriamo di trovare per aiutare a spiegare questo squilibrio ."

Modellazione delle interazioni dei quark

Tutti gli esperimenti che mostrano una differenza tra materia e antimateria coinvolgono particelle fatte di quark, i mattoni subatomici che si legano attraverso la forza forte per formare protoni, neutroni, e nuclei atomici, e anche particelle meno familiari come kaoni e pioni.

"Ogni kaon e pione è fatto di un quark e di un antiquark, circondato da una nuvola di coppie virtuali quark-antiquark, e legati insieme da portatori di forza chiamati gluoni, " ha spiegato Christopher Kelly, del laboratorio nazionale di Brookhaven.

I calcoli basati sul Modello Standard di come si comportano queste particelle devono quindi includere tutte le possibili interazioni dei quark e dei gluoni, come descritto dalla moderna teoria delle interazioni forti, nota come cromodinamica quantistica (QCD).

Inoltre, queste particelle legate si muovono quasi alla velocità della luce. Ciò significa che i calcoli devono includere anche i principi della relatività e della teoria quantistica, che governano tali interazioni di particelle vicine alla velocità della luce.

"A causa dell'enorme numero di variabili coinvolte, questi sono alcuni dei calcoli più complicati di tutta la fisica, " ha osservato Tianle Wang, della Columbia University.

Sfida computazionale

Per vincere la sfida, i teorici hanno utilizzato un approccio informatico chiamato QCD reticolare, che "posiziona" le particelle su un reticolo spazio-temporale quadridimensionale (tre dimensioni spaziali più il tempo). Questo reticolo a forma di scatola consente loro di mappare tutti i possibili percorsi quantistici per il decadimento del kaone iniziale negli ultimi due pioni. Il risultato diventa più accurato all'aumentare del numero di punti del reticolo. Wang ha notato che l'"integrale di Feynman" per il calcolo riportato qui implicava l'integrazione di 67 milioni di variabili!

Questi calcoli complessi sono stati eseguiti utilizzando supercomputer all'avanguardia. La prima parte del lavoro, generazione di campioni o istantanee dei più probabili campi di quark e gluoni, è stato eseguito su supercomputer situati negli Stati Uniti, Giappone, e il Regno Unito. La seconda e più complessa fase di estrazione delle effettive ampiezze di decadimento del kaone è stata eseguita presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE.

Ma usare i computer più veloci non basta; questi calcoli sono ancora possibili solo su questi computer quando si utilizzano codici di computer altamente ottimizzati, sviluppato per il calcolo dagli autori.

"La precisione dei nostri risultati non può essere aumentata in modo significativo semplicemente eseguendo più calcoli, "Kelly ha detto. "Invece, per rafforzare la nostra prova del Modello Standard dobbiamo ora superare una serie di sfide teoriche più fondamentali. La nostra collaborazione ha già compiuto progressi significativi nella risoluzione di questi problemi e, insieme a miglioramenti nelle tecniche computazionali e nella potenza dei supercomputer DOE del prossimo futuro, prevediamo di ottenere risultati molto migliori entro i prossimi tre-cinque anni".