Categorie: Le origini
Tags: antimateria antimesoni asimmetria materia mesoni Modello Standard particelle fondamentali quark
Scritto da: Vincenzo Zappalà
Commenti:14
!! Il segreto del mesone D: preferisce la materia! **
I mesoni sono particelle subatomiche, composte da un quark e un antiquark (noi conosciamo bene il nostro amico muone, quello della favola relativistica, che era stato anche chiamato mesone mu). Un mesone molto particolare, a causa dei quark che lo compongono, sembra aver dato una conferma molto importante (forse storica) del perché esiste la stranissima differenza tra quantità di materia e di antimateria nell'Universo.
Per spiegare appieno la scoperta sarebbe necessario entrare a fondo nel modello standard, cosa che noi non abbiamo ancora fatto. Oltretutto, proprio queste scoperte potrebbero cambiarlo notevolmente e quindi mi permetto di dare una visione estremamente semplicistica di ciò che è successo, in modo che si capisca il concetto base.
Materia e antimateria sono composte da particelle perfettamente uguali, che hanno però carica opposta. Sappiamo bene che quando vengono a contatto si annichiliscono dando luogo a un guizzo di pura energia. All'inizio di tutto non vi era alcun motivo perché le une prevalessero sulle altre e, allora, ne segue che oggi non dovrebbe esistere né materia né antimateria. E, invece, la materia domina alla grande (e meno male per noi e per l'Universo tutto...)
Si sono fatti esperimenti di tutti i tipi, sia mentali che pratici, elaborando teorie e bombandando particelle nei grandi acceleratori per scoprire l'asimmetria che avrebbe potuto far nascere la vittoria della materia. Molte ipotesi, qualche possibile dato anomalo, ma sempre troppo poco per accettare una vera linea di partenza da seguire con particolare attenzione. Non sono esperimenti facili, dato che le particelle si riconducono per lo più ai loro costituenti più intimi, i quark, i quali, a loro volta, si presentano in tanti vestiti e caratteristiche diverse. E poi bisogna anche costruire l'antimateria, dato che in giro se ne trova ben poca.
Per farla breve, si sono considerati dei particolari mesoni e i loro anti mesoni, composti ciascuno da due quark. Sorprendentemente, ma non poi tanto per chi ha svolto l'esperimento, si è visto che gli anti-mesoni decadevano in modo diverso rispetto ai loro fratellini "normali". Una differenza che rasentava il 10%. Un numero enorme che apre la strada per vedere come questa prima differenza possa essersi propagata a tutto ciò che ha creato il Big Bang. L'inizio di un percorso storico? Ovviamente qualcuno dice di sì, qualcun altro, che forse sperava di essere lui il pioniere di tutto, ciò cerca di opporsi. L'uomo è sempre lo stesso... D'altra parte scoprire perché esiste la differenza tra materia e antimateria è una scoperta da Nobel...
Io non ho la preparazione di fisica delle particelle per potere dire la mia, ovviamente, ma posso aggiungere che i risultati ottenuti hanno una certezza statistica del 99.999. Non è cosa da poco...
Chi vuole saperne un po' di più, può andare QUI, in attesa dell'uscita dell'articolo ufficiale
14 commenti
A me sembra il classico dilemma dell'uovo e della gallina. Che l'attuale configurazione delle cose favorisca la materia all'anti é evidente, ma é capire se é cosí per fattori tuttora esistenti o localizzati nel preciso momento in cui é avvenuto il fattaccio il problema.
caro Andrea,
mettiamola così: ciò che ha causato l'asimmetria è sicuramente localizzato a un tempo prossimo al Big Bang, dato che dovevamo essere spontaneamente nelle condizioni che oggi si raggiungono solo attraverso esperimenti costruiti ad hoc. Possiamo verificare che il decadimento è diverso, ma non possiamo certo più essere nella situazione in cui tutto ciò faceva parte dell'Universo appena nato...
Esattamente prof: cerchiamo di costruire condizioni simili, ma non avremo mai un esperimento in cui l'acceleratore comprende ad esempio tutto lo spazio, come era allora, tutta l'energia, come era allora, ecc. Insomma il nostro acceleratore avrà sempre un altrove, condizione che allora non c'era.
Il caso che leggiamo del decadimento del mesone D è un esempio di differimento nel mantenimento della simmetria CP, ma non è detto che sia un esempio di violazione della complessiva simmetria CPT, se si risale al passato recentissimo (dei mesoni intendo). Intanto: la simmetria C è la simmetria di carica coniugata, per cui il risultato di "qualcosa" che accade deve conservare la carica elettrica (ma non solo: in questo caso, ad esempio, anche la carica "charm" <se la perde il quark se ne deve fare carico il bosone W, e così via>; ed è così per lo spin, per la carica debole, e altro ancora). Se la simmetria C non è rispettata, vuol dire che anche la simmetria P (simmetria spaziale: fra destra e sinistra, per semplificare) non è conservata, in maniera compensativa: così la simmetria combinata risulta conservata. Il fatto che non sia sempre rispettata la simmetria P implica la famosa rottura della simmetria avvenuta con la separazione fra forza elettromagnetica (P-simmetrica, con un bosone, il fotone, che è anche la propria antiparticella e che non è massivo e non ha carica) e la forza debole (P-asimmetrica, costretta ad avere quindi un bosone Z neutro, che è anche la propria antiparticella, ma anche altri due bosoni W+ e W-, rispettivamente antiparticelle fra di loro e carichi; tutti e tre, per questa asimmetria, posseggono massa e quindi limitano il raggio della forza debole, a differenza del fotone che corre via libero, e inoltre posseggono carica debole, sempre a differenza del fotone che non ha carica elettrica). La necessaria conservazione tuttavia della simmetria combinata CP, oltre ad aver richiesto la previsione teorica (ed ora la scoperta) del bosone di Higgs, porta, attraverso complessi meccanismi di decadimento che coinvolgono i bosoni W e Z, anche alla finale presa in carico della carica debole unitaria da parte del neutrino (la carica debole è l'unica carica che il neutrino ha). Così è conservata la simmetria coniugata CP.
Nel caso in cui non sia conservata ALLO STESSO MODO nel tempo la simmetria CP (infatti il mesone <->D in questo esperimento non si annichilisce <Charme- e Up+ non sono l'uno antiparticella dell'altro>, ma DECADE mediamente PRIMA del mesone <+>D) fra mesone ed antimesone, allora dobbiamo chiederci se questa violazione della simmetria temporale in questo tempo sperimentale T2, non sia compensata da qualche violazione simmetrica e antitetica di una simmetria temporale in un T1 precedente, in modo che la complessiva (nel tempo T1+T2, ma stiamo parlando di frazioni di secondo, per il principio di indeterminazione l'Universo si concede questi tempi) dicevo la complessiva simmetria CPT sia conservata.
Da dove vengono i mesoni D? (ovviamente siamo ai primi vagiti dell'Universo). La cosa più probabile, visto che hanno vita brevissima, è che gli Charme + e - si formino a coppie per l'elevatissima energia ed il principio di indeterminazione, ma che uno dei due decada in un Up prima che riescano ad annichilirsi a vicenda; il risultato è il mesone D. In questo caso basta supporre che gli Charme+ decadano in un Up+ più velocemente degli Charme- in un Up- per ristabilire la simmetria CPT: infatti avremo un maggior numero di mesoni <->D rispetto ai <+>D, ad esempio il 10% in più, per cui al secondo passaggio (decadenza dei mesoni di cui nell'articolo) quell'altra differenza non fa che ristabilire l'equilibrio, conservando la simmetria complessiva CPT nel tempo ΔT di una frazione di secondo. Ovviamente i mesoni usati nell'esperimento devono essere prima prodotti dall'esperimento stesso, e non certo nel modo che ho appena detto, ma se si segue l'intero processo a monte, è molto probabile che in qualche passaggio la NUMERICA dei due tipi di mesone, o di qualcosa che sta loro a monte, non sia simmetrica, per cui qualche frazione di secondo dopo noi registriamo quella che sembra una asimmetria nel tempo T2, mentre invece si tratta di un processo il cui risultato sta compensando una asimmetria precedente, di un tempo T1.
D'altronde immaginiamo di giocare in quattro con un mazzo di carte da 40 ad un gioco, come lo scopone, in cui si dividono tutte le carte, attorno ad un tavolo tondo. Se chiamiamo C il numero di carte in mano, appena il primo tira, la simmetria C è violata. Appena però tira il secondo, è ristabilita come simmetria CP, nel senso che è possibile tracciare un diametro prolungato passante fra i due che hanno giocato per cui risulta che ci sono in mano 19 carte per lato. Il terzo di nuovo rompe la simmetria, ma il quarto la ristabilisce, questa volta in due sensi: come prima, ovvero CP, e come CPT, nel senso che in ogni tempo ΔT =4tirate tutti avranno lo stesso numero di carte in mano. D'altronde, essendo una carta una quantità discreta, un quantum, noi, come l'Universo, non potremmo fare diversamente.
Finora la conservazione della simmetria CPT non è stata mai violata, anzi è stato predetto e trovato il bosone di Higgs che ristabilisce la conservazione della simmetria CPT (in modo alternato e in un tempo brevissimo, dell'ordine dell'oscillazione fondamentale di una particella) anche nelle condizioni estreme del Big Bang. Inoltre non è mai stata osservata una violazione della simmetria CP in cromodinamica, e questo in sostanza ha impedito, di fatto se non di diritto, la nascita della GUT, cioè la grande unificazione fra forza nucleare forte ed elettrodebole.
scusate ho scritto Charme invece di Charm, la maggior parte delle volte. D'altronde l'articolo a volte lo chiama Charmed. Il mio consideratelo un francesismo
Il mesone D0 è neutro, per cui ho indicato mesone ed antimesone per brevità <+>D e <->D.
caro Giorgio... ti ringrazio per la dotta disquisizione, ma temo sia un po' troppo per il livello con cui abbiamo trattato finora le particelle e le simmetrie. Bisognerebbe cominciare, forse, a descrivere il modello standard (non l'ho mai fatto), ma in modo estremamente semplice e riuscire a dare un giusto rilevo intuibile alle varie simmetrie. Se vuoi provare... io, in questo momento, non ho né tempo né spirito adatto...
Quindi in sostanza mi stai dicendo che hanno barato?
No, no. E' rarissimo, nel mondo scientifico, che qualcuno bari intenzionalmente. Sono faccende difficili. Inoltre la pressione a spiegare l'asimmetria materia/antimateria è davvero tanta. Aggiungerò qualcosa appena posso.
caro Andrea,
non mi riferisco certo a questa quasi-scoperta, ma -in generale- le cose sono molto cambiate rispetto a ieri o ieri l'altro... Sono stati trovati molti articoli i cui risultati non sono stati replicabili. La smania di arrivare primi , di fare uno scoop o di ottenere più soldi ha portato anche la scienza verso articoli ben poco seri. Lo stesso capita in tutti i campi e anche in medicina, purtroppo...
Comportamento un po' miope! Non c'é nulla di piu appagante e liberatorio della piu brutale sinceritá
Senza poi contare che é anche quella che a lungo termine paga di piu!
Comunque si, immagino proprio che questo sia un campo parecchio complesso....anche nella mia ignoranza mi vengono in mente una quantitá mostruosa di variabili da considerare.
In un certo senso si può dire che si è troppo ingegnerizzato il concetto di scoperta. Ad esempio, se scopro un terzo satellite del sistema Plutone-Caronte, pur impiegando una tecnica ingegnosa per farlo, faccio una scoperta "descrittiva", mentre se impiego un grosso acceleratore per scoprire una asimmetria nel decadimento dei mesoni D faccio una scoperta.. come vogliamo chiamarla? "fondamentale"?. Sempre grazie al decadimento dei mesoni, anche se si trattava allora di mesoni più tradizionali, si è scoperta la violazione della parità CP, e gli scopritori presero il premio Nobel (giustamente direi). Ma poiché colui a cui venne in mente la parità CPT (cosa che avrà concepito in una auletta di università o su una poltrona a casa sua) non doveva fare altro poi che spulciare fra i miliardi di dati (già esistenti) che ogni processo in un acceleratore produce (e leggerli quindi con nuovi algoritmi), proprio per questo non poteva ricevere mai il premio Nobel.. Troppo descrittiva come scoperta.
Comunque, quando concepisco l'esperimento concepisco anche gli algoritmi di lettura dei dati. Nel fare questo facciamo spesso, senza accorgercene, una lettura preferenziale.. e questo quasi mai per cattiva fede, ma per due ragioni che accosto così per istinto: 1) ho sentito dire che l'ultimo che conosceva davvero TUTTA la fisica era Enrico Fermi.. ormai questo è praticamente impossibile; 2) we are lost in math, ci siamo persi nella matematica, ed una buona matematica riesce a dimostrare quasi tutto.
Per questo sono convinto che solo il confronto fra menti diverse, e veramente diverse, può evitare di farci fare errori.
dimenticavo: con un sistema di navigazione a piccolo cabotaggio, vedremo di occuparci del modello standard.
Sai Giorgio,
io sono più "sentimentale". Poco importa il mezzo, sempre che sia scientificamente corretto, ma il fine deve essere il conoscere meglio l'Universo. Proprio da poco hanno scoperto un satellite di Nettuno che facilmente è stato staccato collisionalmente da un altro satellite. Bene, la scoperta è descrittiva, ma può implicare una catena di eventi utilissimi per capire meglio la nostra antica storia. Formule, modelli, osservazioni va tutto bene se eseguiti con umiltà e onestà. Il Nobel? Una scelta umana non certo una scelta del Cosmo...
condivido pienamente, anche io la penso così in effetti.. anche se cerco di esprimermi in maniera neutra. Non solo, ma come te, anche se non me ne occupo direttamente, sono molto interessato ai fenomeni ed alle catene evolutive cui fai cenno, relative al nostro sistema solare e non solo, sono cose che mi piacciono proprio! Le tue osservazioni sugli asteroidi al di fuori della zona principale (più una sullo spin di non mi ricordo cos'era, un ammasso globulare forse) dimostrano che su certe cose la pensiamo esattamente allo stesso modo.
Se estendiamo questo criterio, si arriva a conclusioni molto simili a scale più grandi, anche se il relativo determinismo è mitigato dal fatto che non c'è affatto un centro privilegiato della catena.
ciao Enzo, l'idea di scrivere in modo semplice la teoria standard delle particelle sarebbe una bella cosa. Se lo farai sarò un attento lettore degli articoli. A presto