Quel neo nel volto simmetrico dell’universo

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È un piccolo neo nel volto, altrimenti simmetrico, che dovrebbe avere l’universo secondo le leggi della fisica. Si chiama violazione CP. O meglio, violazione della simmetria CP. La consumerebbero, ad altissime energie, i mesoni Bs, minuscole particelle dotate di carica elettrica. A scoprirli in flagrante è stato l’esperimento LHCb – uno dei tanti che si svolgono presso il CERN di Ginevra con il Large Hadron Collider – il più grande acceleratore del mondo, che ne rendo conto in un articolo pubblicato sulla rivista Physics Review Letter.

La simmetria è uno dei principi regolatori del mondo. E, infatti, tutte le moderni leggi con cui i fisici, con straordinaria definizione di dettaglio, descrivono l’universo a ogni scala sono fondati su principi di simmetria (si veda il bel libro, Simmetria e natura. Dalle armonie delle figure all’invarianza delle leggi che Elena Castellani, filosofa della scienza, ha pubblicato con Laterza). Ma anche, come sosteneva il fisico Abdus Salam, sulle rotture di simmetria. La storia cosmica è una storia di rotture di simmetria.
Nell’ambito del Modello Standard delle Alte Energie, il modello che descrive il quadro dei costituenti fondamentali della materia e dell’energia, le leggi della fisica devono essere invarianti rispetto alla “carica” (C) e alla “parità” (P). La carica è quella elettrica. E la parità si riferisce al verso degli assi cartesiani con cui diamo una direzione allo spazio. La simmetria CP è (quasi) sempre rispettata. Tant’è che noi possiamo rappresentare un elettrone (carica elettrica -1) che si muove in linea retta da destra a sinistra con un antielettrone, il positrone (carica elettrica +1), che si muove lungo la medesima retta ma in verso opposto, da sinistra verso destra.
I fisici tengono in conto anche la simmetria delle loro leggi rispetto al tempo (T). Un elettrone che si muove in un secondo, dal tempo 0 al tempo 1, lungo una retta è del tutto analogo a un positrone che si muove lungo la stessa retta dal tempo 1 al tempo 0.
E in meccanica quantistica c’è addirittura un teorema, il teorema CPT, secondo cui tutte le leggi di natura devono essere invarianti rispetto a una trasformazione di CPT: di carica, di parità e di tempo.

Ma torniamo alla “semplice” simmetria CP. Ovvero a quel principio secondo cui le leggi della fisica sono invarianti rispetto alla duplice trasformazione di C e di P. Questo significa che ogni processo deve conservare la simmetria CP. In altre parole, una particella che si muove lungo una retta da nord a sud deve essere considerata del tutto analoga a un’antiparticella (inversione di carica) che si muove da sud a nord (inversione di parità).
Ebbene, è buona norma, in natura, rispettare la conservazione dalla simmetria CP. Ma non è un imperativo categorico. Talvolta succede che qualcuno violi questo principio di simmetria e dipinga un neo nel quadro, altrimenti simmetrico, del cosmo.
E, infatti, per i cosmologi una violazione CP è quel piccolissimo neo che, poco dopo il Big Bang, ha rotto la simmetria tra materia e antimateria e ha modellato il mondo, regalandoci un universo costituito da un mare di fotoni con qualche rara particella massiva.
Narrano infatti i cosmologi che, all’inizio della storia cosmica, il Big Bang ha creato dal nulla (quel particolare nulla che è il vuoto quantistico) l’intero universo. Lo avrebbe dovuto creare con una simmetria perfetta CP. Tanta materia quanta antimateria. E poiché quando particelle di materia e particelle di antimateria si incontrano, si annichilano, ecco la storia cosmica dopo il Big Bang avrebbe dovuto risolversi in una totale distruzione di massa e nulla sarebbe dovuto sopravvivere se non un mare di fotoni. Ma ecco il neo. Per qualche motivo le particelle di materia sono un po’ diverse dalle particelle di antimateria. Cosicché durante la strage cosmica, ogni 9 miliardi o giù di lì di scontri, una particella di materia è sopravvissuta. Cosicché oggi abbiamo sì cosmo costituito da un oceano di fotoni. Ma ogni 9 miliardi di fotoni c’è una particella di materia. Un piccolo neo che ha consentito di creare pianeti, stelle, galassie, ammassi di galassie, ammassi di ammassi e così via.

Dunque la violazione delle leggi di simmetria può essere creativa. Il fatto è che non sappiamo cosa ha spinto l’artista (la natura) ha rompere la simmetria materia/antimateria e ha disegnare l’universo così come lo conosciamo.
Lo studio delle violazioni della simmetria CP può aiutarci a scoprire l’inattesa creatività cui dobbiamo la bellezza del cosmo e la nostra stessa esistenza. Finora si era riusciti a ottenere in laboratorio processi che violano la simmetria CP solo a energie piuttosto basse. Ora i ricercatori dell’esperimento LHCb, tra cui molti italiani dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, si sono imbattuti nello “strano caso” dei mesoni Bs. Particelle che, dopo un certo tempo “decadono”, trasformandosi in altre particelle. Ebbene, in base al principio di simmetria i mesoni Bs dovrebbero decadere nel medesimo modo degli antimesoni Bs. Ma l’esperimento ha mostrato che ciò non accade. Hanno infatti analizzato un campione di 1065 decadimenti. Trovando che 676 (più o meno di due terzi) sono generati da antimesoni e solo 389 (un terzo) da mesoni di materia ordinaria. Una statistica piccola, ma non banale. Dietro cui si cela, forse, qualcosa di importante.

I mesoni Bs sono, infatti, un nuovo neo nel volto simmetrico delle leggi di natura. Violano la parità CP. Il perché resta ancora un mistero. Se lo scopriamo potremo dire qualcosa sull’origine della creatività della natura. Sul perché l’universo è fatto così com’è fatto, ricco e variegato, e non in un altro modo, più informe e piatto. 

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