Secondo i modelli cosmologici, il Big Bang avrebbe prodotto quantità uguali di materia e antimateria. Tuttavia, l’universo osservabile è dominato dalla materia, mentre l’antimateria sembra praticamente assente. Questa sproporzione, che costituisce uno dei più grandi enigmi della fisica moderna, richiede la presenza di meccanismi che rompano la simmetria tra materia e antimateria. Uno di questi meccanismi è la violazione CP, già osservata negli anni ‘60 nei mesoni, particelle composte da un quark e un antiquark. La violazione CP implica che le leggi della fisica non sono perfettamente simmetriche quando si scambiano le particelle con le loro antiparticelle e si invertono le coordinate spaziali. Ma fino ad oggi non era mai stata rilevata nei barioni, composti da tre quark e costituenti fondamentali della materia ordinaria (protoni e neutroni sono barioni).
Il risultato dell’esperimento LHCb
Lo studio, guidato da Xueting Yang e dal team LHCb, si è concentrato sul decadimento del barione Λb⁰ (lambda-b zero) nel canale finale pK⁻π⁺π⁻. Usando i dati raccolti tra il 2011 e il 2018, con una luminosità integrata di 9 fb⁻¹, i ricercatori hanno confrontato la frequenza di decadimento del Λb⁰ con quella del suo antiparticella corrispondente. Hanno misurato un’asimmetria globale ACP = (2,45 ± 0,46 ± 0,10)%, con una significatività di 5,2 deviazioni standard. Questo valore rappresenta la prima osservazione diretta di una violazione CP nei barioni.
Perché è importante?
Il Modello Standard prevede che la violazione CP derivi dal meccanismo di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), che descrive come i quark cambiano tipo durante le interazioni deboli. Ma l’entità della violazione prevista dal CKM è troppo piccola per spiegare la predominanza della materia nell’universo.
La scoperta di una violazione CP nei barioni è significativa perché:
- Dimostra che anche la materia composta da tre quark manifesta comportamenti asimmetrici rispetto all’antimateria.
- Fornisce un nuovo terreno per indagare effetti oltre il Modello Standard, come nuove particelle o forze fondamentali.
Le complessità del decadimento barionico
A differenza dei mesoni, i barioni possono decadere attraverso percorsi più complessi che coinvolgono molteplici stati intermedi risonanti (hadronici). Il decadimento Λb⁰→pK⁻π⁺π⁻ può avvenire tramite due diversi tipi di diagrammi di Feynman: “tree” e “loop”, i cui contributi interferiscono tra loro. La violazione CP emerge da questa interferenza quando le fasi deboli (definite dal CKM) e le fasi forti (effetti delle interazioni forti tra i quark) sono entrambe significative.
Il team ha anche analizzato diverse regioni dello spazio delle fasi del decadimento, osservando che la violazione CP varia in intensità, con un massimo del 5,4% nella regione dominata dal decadimento risonante Λb⁰→R(pπ⁺π⁻)K⁻, differente da zero per 6 deviazioni standard.
Sebbene questo risultato non spieghi completamente l’asimmetria materia-antimateria osservata nell’universo, rappresenta un passo cruciale verso la comprensione dei meccanismi sottostanti. Le future analisi dei decadimenti barionici potrebbero:
- Identificare contributi di nuove fisiche non previsti dal Modello Standard.
- Svelare effetti risonanti più dettagliati grazie ad analisi angolari e distribuzioni nello spazio delle fasi.
- Guidare nuovi esperimenti e potenziali aggiornamenti del LHCb.
La prima osservazione di violazione CP nei barioni da parte dell’esperimento LHCb segna un momento storico nella fisica delle particelle. Questo risultato amplia le frontiere della conoscenza, offrendo nuove opportunità per spiegare la misteriosa predominanza della materia nell’universo e stimolando la ricerca di fenomeni oltre il Modello Standard.
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