Cosa accadde all'inizio dell'universo, nei primissimi istanti? La verità è, non lo sappiamo davvero perché ci vogliono enormi quantità di energia e precisione per ricreare e comprendere il cosmo su scale temporali così brevi in ​​laboratorio. Ma gli scienziati del Large Hadron Collider (LHC) del CERN, La Svizzera non si arrende.

Ora il nostro esperimento LHCb ha misurato una delle più piccole differenze di massa tra due particelle di sempre, che ci permetterà di scoprire molto di più sulle nostre enigmatiche origini cosmiche.

Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive le particelle fondamentali che compongono l'universo, e le forze che agiscono tra loro. Le particelle elementari includono quark, di cui ce ne sono sei—su, fuori uso, strano, fascino, sopra e sotto. Allo stesso modo ci sono sei "leptoni" che includono l'elettrone, un cugino più pesante chiamato muone, e il tau ancora più pesante, ognuno dei quali ha un neutrino associato. Ci sono anche "partner di antimateria" di tutti i quark e leptoni che sono particelle identiche a parte una carica opposta.

Il modello standard è verificato sperimentalmente con un incredibile grado di accuratezza, ma presenta alcune carenze significative. 13,8 miliardi di anni fa, l'universo è stato creato nel Big Bang. La teoria suggerisce che questo evento avrebbe dovuto produrre uguali quantità di materia e "antimateria". Eppure oggi, l'universo è quasi interamente costituito da materia. E questo è fortunato, perché l'antimateria e la materia si annichilano in un lampo di energia quando si incontrano.

Una delle più grandi domande aperte in fisica oggi è perché c'è più materia che antimateria. C'erano processi in gioco nell'universo primordiale che hanno favorito la materia rispetto all'antimateria? Per avvicinarsi alla risposta, abbiamo studiato un processo in cui la materia si trasforma in antimateria e viceversa.

I quark sono legati insieme per formare particelle chiamate barioni, compresi i protoni e i neutroni che compongono il nucleo atomico, o mesoni, che consistono in coppie quark-antiquark. I mesoni con carica elettrica zero subiscono continuamente un fenomeno chiamato mescolamento per cui si trasformano spontaneamente nella loro particella di antimateria, e viceversa. In questo processo, il quark si trasforma in anti-quark e l'anti-quark in quark.

Può farlo grazie alla meccanica quantistica, che governa l'universo sulla più piccola delle scale. Secondo questa teoria controintuitiva, le particelle possono trovarsi in molti stati diversi allo stesso tempo, essenzialmente essendo un mix di molte particelle diverse, una caratteristica chiamata sovrapposizione. È solo quando si misura il suo stato che ne "sceglie" uno. Un tipo di mesone chiamato D0, Per esempio, che contiene quark charm, si trova in una sovrapposizione di due normali particelle di materia chiamate D1 e D2. La velocità con cui il mesone D0 si trasforma nella sua antiparticella e viceversa, un'oscillazione, dipende dalla differenza di massa di D1 e D2.

Piccole masse

È difficile misurare il mescolamento nei mesoni D0, ma è stato fatto per la prima volta nel 2007. Tuttavia, fino ad ora, nessuno ha misurato in modo affidabile la differenza di massa tra D1 e D2 che determina quanto velocemente il D0 oscilla nella sua antiparticella.

La nostra ultima scoperta, annunciato alla conferenza Charm, cambia questo. Abbiamo misurato un parametro che corrisponde a una differenza di massa di 6,4x10 ^-6 elettron Volt (una misura di energia) o 10 ^-38 grammi:una delle più piccole differenze di massa tra due particelle mai misurate.

Abbiamo quindi calcolato che l'oscillazione tra il D0 e il suo partner di antimateria dura circa 630 picosecondi (1 ps =1 milionesimo milionesimo di secondo). Questo può sembrare veloce, ma il mesone D0 non vive a lungo:non è stabile in laboratorio e cade a pezzi (decadimento) in altre particelle dopo solo 0,4 picosecondi. Quindi in genere scomparirà molto prima che si verifichi questa oscillazione, ponendo una seria sfida sperimentale.

La chiave è la precisione. Sappiamo dalla teoria che queste oscillazioni seguono il percorso di un tipo di onda familiare (sinusoidale). Misurando l'inizio dell'onda in modo molto preciso, possiamo dedurre il suo periodo completo come ne conosciamo la forma. La misurazione doveva quindi raggiungere una precisione record su più fronti. Ciò è reso possibile dalla quantità senza precedenti di particelle di fascino prodotte all'LHC.

Ma perché è importante? Per capire perché l'universo ha prodotto meno antimateria della materia abbiamo bisogno di saperne di più sull'asimmetria nella produzione dei due, un processo noto come violazione della CP. È già stato dimostrato che alcune particelle instabili decadono in modo diverso dalla loro corrispondente particella di antimateria. Ciò potrebbe aver contribuito all'abbondanza di materia nell'universo, con precedenti scoperte che hanno portato a premi Nobel.

Vogliamo anche trovare la violazione della CP nel processo di miscelazione. Se iniziamo con milioni di particelle D0 e milioni di antiparticelle D0, ci ritroveremo con più particelle di materia normale D0 dopo un po' di tempo? Conoscere il tasso di oscillazione è un passo fondamentale verso questo obiettivo. Anche se questa volta non abbiamo trovato un'asimmetria, il nostro risultato e ulteriori misurazioni di precisione possono aiutarci a trovarlo in futuro.

L'anno prossimo, l'LHC si accenderà dopo un lungo spegnimento e il nuovo rilevatore LHCb aggiornato richiederà molti più dati, aumentando ulteriormente la sensibilità di queste misurazioni. Nel frattempo, i fisici teorici stanno lavorando a nuovi calcoli per interpretare questo risultato. Il programma di fisica LHCb sarà inoltre integrato dall'esperimento Belle-II in Giappone. Queste sono interessanti prospettive per studiare l'asimmetria materia-antimateria e le oscillazioni dei mesoni.

Anche se non possiamo ancora risolvere completamente i misteri dell'universo, la nostra ultima scoperta ha messo il pezzo successivo nel puzzle. Il nuovo rivelatore LHCb aggiornato aprirà le porte a un'era di misurazioni di precisione che hanno il potenziale per scoprire fenomeni ancora sconosciuti e forse la fisica oltre il modello standard.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.