I fisici hanno dimostrato che una particella subatomica può passare nel suo alter-ego antiparticellare e viceversa, in una nuova scoperta rivelata oggi.

La misurazione straordinariamente precisa è stata effettuata da ricercatori britannici utilizzando l'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) al CERN.

Ha fornito la prima prova che i mesoni di fascino possono trasformarsi nella loro antiparticella e viceversa.

Fenomeno di miscelazione

Da più di 10 anni, gli scienziati sanno che i mesoni di fascino, particelle subatomiche che contengono un quark e un antiquark, possono viaggiare come una miscela dei loro stati particella e antiparticella.

È un fenomeno chiamato mescolamento.

Però, questo nuovo risultato mostra per la prima volta che possono oscillare tra i due stati.

Affrontare grandi questioni di fisica

Armato di questa nuova prova, gli scienziati possono provare ad affrontare alcune delle più grandi domande in fisica sul comportamento delle particelle al di fuori del Modello Standard.

un essere, se queste transizioni sono causate da particelle sconosciute non previste dalla teoria guida.

La ricerca, presentata al Lettere di revisione fisica e disponibile su arXiv, ha ricevuto finanziamenti dal Science and Technology Facilities Council (STFC).

Essere l'uno e l'altro

Nello strano mondo della fisica quantistica, il mesone di fascino può essere se stesso e la sua antiparticella allo stesso tempo.

questo stato, nota come sovrapposizione quantistica, risulta in due particelle ciascuna con la propria massa, una versione più pesante e leggera della particella.

Questa sovrapposizione permette al mesone charm di oscillare nella sua antiparticella e viceversa.

Differenze di massa

Utilizzando i dati raccolti durante la seconda esecuzione del Large Hadron Collider (LHC), ricercatori dell'Università di Oxford hanno misurato una differenza di massa tra le due particelle.

C'era una differenza di 0.00000000000000000000000000000000000001 grammi, o nella notazione scientifica 1×10 ^-38 G.

Una misurazione di questa precisione e certezza è possibile solo quando il fenomeno viene osservato più volte.

Questo è possibile solo grazie ai molti mesoni di fascino prodotti nelle collisioni di LHC.

Poiché la misurazione è estremamente precisa, il team di ricerca ha assicurato che il metodo di analisi lo fosse ancora di più.

Una tecnica innovativa

Per fare questo, il team ha utilizzato una nuova tecnica originariamente sviluppata dai colleghi dell'Università di Warwick.

Ci sono solo quattro tipi di particelle nel Modello Standard, la teoria che spiega la fisica delle particelle, che possono trasformarsi nella loro antiparticella.

Il fenomeno della miscelazione è stato osservato per la prima volta nei mesoni Strange negli anni '60 e nei mesoni di bellezza negli anni '80.

Fino ad ora, l'unica altra delle quattro particelle che è stata vista oscillare in questo modo è il mesone della strana bellezza, una misurazione effettuata nel 2006.

Un fenomeno raro

Professor Guy Wilkinson all'Università di Oxford, il cui gruppo ha contribuito all'analisi, disse:

"Ciò che rende questa scoperta dell'oscillazione nella particella del mesone charm così impressionante è che, a differenza dei mesoni di bellezza, l'oscillazione è molto lenta e quindi estremamente difficile da misurare entro il tempo che impiega il mesone a decadere. Questo risultato mostra che le oscillazioni sono così lente che la stragrande maggioranza delle particelle decadrà prima che abbiano la possibilità di oscillare. Però, siamo in grado di confermarlo come una scoperta perché LHCb ha raccolto così tanti dati".

Professor Tim Gershon all'Università di Warwick, sviluppatore della tecnica analitica utilizzata per effettuare la misurazione, ha detto:"Le particelle di mesoni di fascino sono prodotte nelle collisioni protone-protone e viaggiano in media solo pochi millimetri prima di trasformarsi, o decadente, in altre particelle. Confrontando le particelle del mesone charm che decadono dopo aver percorso una breve distanza con quelle che viaggiano un po' più lontano, siamo stati in grado di misurare la quantità chiave che controlla la velocità dell'oscillazione del mesone charm in mesone anti-charm, la differenza di massa tra la versione più pesante e quella più leggera del mesone charm."

Si apre una nuova porta per l'esplorazione della fisica

Questa scoperta dell'oscillazione del mesone charm apre una nuova ed entusiasmante fase di esplorazione della fisica.

I ricercatori ora vogliono capire il processo di oscillazione stesso, potenzialmente un importante passo avanti nella risoluzione del mistero dell'asimmetria materia-antimateria.

Un'area chiave da esplorare è se la velocità delle transizioni particella-antiparticella è la stessa delle transizioni antiparticella-particella.

E nello specifico, se le transizioni sono influenzate o causate da particelle sconosciute non previste dal Modello Standard.

Piccole misure dicono grandi cose

Dr. Mark Williams presso l'Università di Edimburgo, che ha convocato il LHCb Charm Physics Group all'interno del quale è stata svolta la ricerca, ha detto:"Misure minuscole come questa possono dirti grandi cose sull'Universo che non ti aspettavi".

Il risultato, 1×10-38 g, attraversa il livello di significatività statistica "five sigma" necessario per rivendicare una scoperta nella fisica delle particelle.

Ulteriori informazioni

LHCb è uno dei quattro grandi esperimenti dell'LHC al CERN di Ginevra, ed è progettato per studiare i decadimenti di particelle contenenti un quark di bellezza.

L'obiettivo principale di LHCb è indagare sull'asimmetria materia-antimateria o "violazione di CP".

Dopo il Big Bang, materia e antimateria sono state create in quantità uguali, ma quando si incontrano si annientano a vicenda.

Poiché viviamo in un universo dominato dalla materia, ci deve essere una sottile differenza tra materia e antimateria che ha permesso alla materia di sopravvivere.

I mesoni fanno parte della grande classe di particelle formate da particelle fondamentali chiamate quark, e contengono un quark e un quark antimateria.

Il mesone D0 è costituito da un quark charm e da un antiquark up, e la sua antiparticella, l'anti-D0, consiste in un antiquark charm e un quark up.

Questa misurazione è stata effettuata utilizzando il sottorilevatore Vertex Locator (VELO) di LHCb.