La fisica cambia andando avanti o indietro nel tempo?

Non importa quando, dove o ciò che sei nell’Universo, il tempo scorre in una sola direzione: in avanti. Nelle nostre esperienze quotidiane, gli orologi non corrono mai all’indietro; le uova strapazzate non tornano nel guscio integro; il vetro infranto non si ricompone spontaneamente da solo.

Leggi della fisica e freccia del tempo

Guardando, però, le leggi della fisica che governano il modo in cui l’Universo funziona,  dalle leggi del moto di Newton fino alla fisica quantistica delle particelle subatomiche, si scopre qualcosa di inatteso: le regole che governano l’Universo sono esattamente le stesse sia che il tempo scorra in avanti che indietro.

Ciò corrisponde ad una certa simmetria della natura: la T-simmetria, o invarianza del tempo di inversione. La nostra esperienza quotidiana ci indica che le leggi della fisica devono violare questa simmetria, ma per decenni non siamo riusciti a dimostrarlo. Ma alcuni anni fa, è stato dimostrato sperimentalmente che le leggi della fisica sono diverse a seconda della direzione in cui il tempo scorre.

Immaginiamo di andare a Pisa con un amico, uno di voi si piazzerà in piedi sulla cima famosa torre pendente e l’altro resterà in basso, sulla perpendicolare dell’altro. Facendo cadere una palla dall’alto, è facile prevedere il punto dove atterrerà sulla strada. Tuttavia, se la persona rimasta in basso dovesse rilanciare la palla verso l’alto con una velocità uguale e opposta alla palla appena atterrata, arriverebbe esattamente nel punto in cui la persona in cima ha lasciato cadere la palla.

Questa è una situazione in cui si verifica l’invarianza del tempo di inversione: dove la  T-simmetria è ininterrotta. L’inversione del tempo può essere pensata allo stesso modo dell’inversione del movimento: se le regole sono le stesse si verifica la vera T-simmetria sia che tu vada avanti o indietro nel tempo. Ma se le regole dovessero cambiare quando il tempo procede a ritroso, si verificherebbe una violazione della T-simmetria.

Differenti quadri di riferimento, incluse diverse posizioni e movimenti, vedrebbero leggi della fisica diverse (e sarebbero in disaccordo con la realtà) se una teoria non è relativisticamente invariante. Il fatto che abbiamo una simmetria sotto le trasformazioni “boost” o velocità, ci dice che abbiamo una quantità conservata: quantità di moto lineare. Il fatto che una teoria sia invariante rispetto a qualsiasi tipo di trasformazione di coordinate o velocità è nota come invarianza di Lorentz e qualsiasi simmetria invariante di Lorentz conserva la simmetria CPT. Tuttavia, C, P e T (così come le combinazioni CP, CT e PT) possono essere tutte violate individualmente. – WIKIMEDIA COMMONS UTENTE KREA

Ci sono due ragioni molto, molto buone (ma indirette) per credere che la  T-simmetria debba essere rotta ad un livello profondo e fondamentale. La prima è un teorema provato noto come il teorema CPT. Se abbiamo una teoria dei campi quantistici che obbedisce alle regole della relatività ⁠- è l’invarianza di Lorentz ⁠- per cui la teoria deve esibire  la simmetria CPT.

Ci sono tre simmetrie che sono sia discrete che fondamentali nel contesto del modello standard della fisica delle particelle:

• C- simmetria, che richiede la sostituzione di tutte le particelle con le loro antiparticelle,
• La simmetria P, che richiede la sostituzione di tutte le particelle con le riflessioni dell’immagine speculare,
• T- simmetria, che richiede di eseguire le leggi della fisica a ritroso nel tempo anziché in avanti.

Cambiare le particelle per antiparticelle e rifletterle in uno specchio rappresenta simultaneamente la simmetria CP. Se i decadimenti anti-specchio sono diversi dai normali decadimenti, CP viene violata. La simmetria dell’inversione temporale, nota come T, deve essere evidenziata se CP viene violato. Le simmetrie combinate di C, P e T, tutte insieme, devono essere conservate secondo le nostre attuali leggi della fisica, con implicazioni per i tipi di interazioni che sono e non sono consentiti. –  E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA

Il teorema CPT ci dice che la combinazione di tutte e tre le simmetrie deve sempre essere preservata. In altre parole, una particella che gira in avanti nel tempo deve obbedire alle stesse regole della sua antiparticella che ruota nella direzione opposta spostandosi indietro nel tempo.

Se la  simmetria C viene violata, anche la simmetria PT deve essere violata di una quantità uguale per mantenere la combinazione conservata. Poiché la  violazione della simmetria CP è già stata osservata (nel 1964), sappiamo che anche la T- simmetria deve poter essere violata.

La seconda ragione è che viviamo in un Universo dove c’è più materia che antimateria, ma le leggi della fisica che conosciamo sono completamente simmetriche tra materia e antimateria.

Se crei nuove particelle (come X e Y qui) con antiparticelle come controparti, esse devono conservare il CPT, ma non necessariamente C, P, T o CP da soli. Se CP viene violato, le vie di decadimento – o la percentuale di particelle che decadono in un modo o nell’altro – possono essere diverse per le particelle rispetto alle antiparticelle, determinando una produzione netta di materia sull’antimateria se le condizioni sono corrette. – E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA

È vero che deve esserci necessariamente una fisica aggiuntiva a quello che abbiamo osservato per spiegare questa asimmetria, ma ci sono restrizioni significative sui tipi di nuova fisica che possono causarla. Queste sono state chiarite da Andrei Sakharov nel 1967, che ha osservato:

1. L’universo deve trovarsi in uno stato di fuori equilibrio.
2. Sia la simmetria C che la simmetria CP devono essere violate.
3. Le interazioni di violazione del numero barionico devono verificarsi.

Anche se non avessimo osservato direttamente le interazioni violare la CP, avremmo saputo che dovevano verificarsi per creare un universo che fosse coerente con ciò che abbiamo osservato. E quindi, dal momento che ancora una volta la T -violatione è necessariamente implicata dalla  CP -violatione, la T-symmetria non può tenere sempre vera.

Il tasso di decadimento orbitale di una pulsar binaria dipende fortemente dalla velocità di gravità e dai parametri orbitali del sistema binario. Abbiamo usato dati di pulsar binari per vincolare la velocità di gravità ad essere uguale alla velocità della luce con una precisione del 99,8% e per dedurre l’esistenza di onde gravitazionali decenni prima che LIGO e Virgo le rilevassero. Tuttavia, la rilevazione diretta delle onde gravitazionali era una parte vitale del processo scientifico, e l’esistenza delle onde gravitazionali sarebbe ancora in dubbio senza di essa. –  NASA (L), MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY / MICHAEL KRAMER (R)

C’è, però, un’enorme differenza, in ogni scienza, tra l’evidenza teorica o indiretta di un fenomeno e l’osservazione diretta o la misurazione dell’effetto desiderato. Anche nei casi in cui sai qual è il risultato, è necessario richiedere verifiche sperimentali o correre il rischio di ingannare noi stessi.

Questo è vero in ogni area della fisica. Certo, sapevamo guardando i tempi delle pulsar binarie che le loro orbite stavano decadendo, ma solo con la rilevazione diretta delle onde gravitazionali abbiamo potuto essere certi che l’energia veniva portata via. Sapevamo che intorno ai buchi neri doveva esistere un orizzonte degli eventi, ma solo vedendoli direttamente potevamo confermare questa previsione della fisica teorica. E sapevamo che il bosone di Higgs doveva esistere per rendere il modello standard coerente, ma solo scoprendo le sue firme inequivocabili all’LHC abbiamo avuto la conferma.

Il primo robusto rilevamento di 5-sigma del bosone di Higgs è stato annunciato alcuni anni fa da entrambe le collaborazioni CMS e ATLAS. Ma il bosone di Higgs non crea un singolo “picco” nei dati, ma piuttosto un bump diffuso, a causa della sua intrinseca incertezza in massa. La sua massa di 125 GeV / c ^ 2 è un rompicapo per la fisica teorica, ma gli sperimentalisti non devono preoccuparsi: esiste, noi possiamo crearlo e ora possiamo misurare e studiare anche le sue proprietà. –  Credit: COLLABORAZIONE CMS, “OSSERVAZIONE DEL DECADIMENTO DIPHODONE DEL BOSONE DI HIGGS E MISURAZIONE DELLE SUE PROPRIETÀ”, (2014)

Al fine di confermare direttamente, e sperimentalmente, l’esistenza della T-violazione, gli scienziati dovevano essere incredibilmente intelligenti. Quello che si deve fare in questo caso, è progettare un esperimento in cui le leggi della fisica possano essere testate direttamente per le differenze tra un esperimento che va avanti nel tempo contro uno che corre all’indietro. E poiché – nel mondo reale – il tempo scorre solo avanti, questo ha richiesto un’immaginazione veramente creativa.

Il modo di pensare a questo è ricordare come funzionano gli stati quantici impigliati.

Se si hanno due particelle quantiche che sono impigliate l’una con l’altra, si conosce qualcosa sulle loro proprietà combinate, ma le loro proprietà individuali sono indeterminate finché non si effettua una misurazione. Misurare lo stato quantico di una particella ti darà alcune informazioni sull’altra e te la darà istantaneamente, ma non puoi sapere nulla di nessuna particella individuale finché non si verifica quella misurazione critica.

Se due particelle sono impigliate, hanno proprietà di funzione d’onda complementari e la misurazione di una determina le proprietà dell’altro. Se si creano due particelle o sistemi impigliati, tuttavia, e si misura il decadimento prima degli altri decadimenti, si dovrebbe essere in grado di misurare la reazione a tempo inverso per verificare la conservazione o la violazione della simmetria T. – UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS DAVID KORYAGIN

Tipicamente, quando pensiamo all’entanglement quantistico di due particelle, eseguiamo esperimenti che coinvolgono particelle stabili, come fotoni o elettroni. Ma c’è un solo tipo di processo di fisica in cui è noto che si verifica la violazione di CP: attraverso decadimenti che procedono attraverso l’interazione nucleare debole. In effetti, questo tipo diretto di CP-violation è stato osservato nel 1999, e per effetto del teorema CPT, deve verificarsi una T-violazione. Pertanto, se vogliamo testare la violazione diretta della simmetria dell’inversione temporale, dovremmo creare particelle dove avviene la T-violazione, il che significa creare barioni o mesoni (particelle composite instabili) che decadono attraverso le interazioni deboli.

Queste due proprietà, dell’indeterminismo quantistico e del decadimento attraverso le interazioni deboli, possono essere sfruttate per progettare l’esatto tipo di esperimento richiesto per testare la violazione diretta della  T-simmetria.

I mesoni B possono decadere direttamente in una particella J / Ψ (psi) e una particella Φ (phi). Gli scienziati del CDF hanno trovato prove che alcuni mesoni B decadono inaspettatamente in una struttura intermedia del tetraquark identificata come una particella Y, dove il tetraquark consiste di due quark e due antiquark. Quando un sistema composito, come la particella Y, decade in due stati che hanno valori diversi per le loro proprietà CP, devono avere anche proprietà diverse per le loro proprietà T, consentendo agli scienziati di creare un esperimento in grado di testare direttamente la violazione di T. – RIVISTA DI SIMMETRIA

La strada da percorrere per verificare la violazione dell’inversione del tempo direttamente è stata proposta per la prima volta solo di recente, poiché la tecnologia per produrre un gran numero di particelle che contengono i quark di fondo (b) è emersa solo negli ultimi anni.

La particella ((la lettera greca Upsilon) è il classico esempio di una particella contenente quark inferiori, in quanto è in realtà un mesone composto da un quark di fondo e una coppia di antichità di fondo.

Come la maggior parte delle particelle composite, ci sono molti diversi stati energetici e configurazioni in cui può esistere, in modo simile a come l’atomo di idrogeno esibisce una varietà di possibili stati di energia per l’elettrone. In particolare, è stato suggerito che lo stato di energia 4s tiene alcune proprietà speciali e potrebbe essere il miglior candidato per osservare direttamente la violazione della T-simmetria.

In un sistema atomico, ciascun orbitale (rosso), ciascuno dei p orbitali (giallo), i d orbitali (blu) e gli orbitali f (verde) possono contenere solo due elettroni ciascuno: uno spin up e uno spin down in ciascuno uno. In un sistema nucleare, anche in un mesone che ha solo un quark e un antiquark, esistono orbitali (e stati energetici) simili. In particolare, lo stato 4s della particella Upsilon (Υ) ha proprietà particolarmente interessanti ed è stato creato centinaia di milioni di volte per la collaborazione BaBar allo SLAC. –  LIBRERIA LIBRETEXTS / NSF / UC DAVIS

La ragione? La  particella Υ (4s), quando ne crei una, si decompone in un mesone B neutro (con un quark down e un quark anti-bottom) e un mesone anti-B neutro (con un quark bottom e un anti- quark down) circa il 48% delle volte. In un collisore di elettroni-positroni, hai la libertà di mettere a punto le collisioni con l’esatta energia necessaria per creare una particella Υ (4s), il che significa che puoi creare un numero enorme di mesoni B e anti-B-mesoni, buoni per tutto ciò di cui la tua fisica delle particelle ha bisogno.

Ogni mesone, un B o un anti-B, può decadere in alcuni modi possibili. O puoi produrre:

• una particella J / ψ (charm-anticharm) e un Kaon longevo,
• una particella J / ψ e un Kaon di breve durata,
• o un leptone carico e altre particelle.

Questo è interessante, perché il primo decadimento ha un valore noto di CP, il secondo ha un valore noto per CP che è opposto al primo, e il terzo decadimento identifica se è un B o un anti-B in virtù del segno della carica sul lepton. (Un anti-lepton caricato positivamente indica un decadimento B, un lepton caricato negativamente indica un decadimento anti-B).

Una configurazione del sistema utilizzata dalla collaborazione BaBar per sondare direttamente la violazione della simmetria dell’inversione temporale. La particella Υ (4s) è stata creata, decompone in due mesoni (che possono essere una combinazione B / anti-B), e quindi entrambi i mesoni B e anti-B decadranno. Se le leggi della fisica non sono invarianti nel tempo, i diversi decadimenti in un ordine specifico mostreranno proprietà diverse. Ciò è stato confermato nel 2012. –  APS / ALAN STONEBREAKER

Quando un membro della coppia B / anti-B decade in un J / ψ e un Kaon e l’altro membro decade in un leptone, questo ci dà l’opportunità di testare la violazione dell’inversione del tempo. Poiché queste due particelle, la B e l’anti-B, sono entrambe instabili, i loro tempi di decadimento sono noti solo in termini di loro emivite: i decadimenti non si verificano tutti in una volta, ma in momenti casuali con una probabilità nota.

Quindi, ti consigliamo di effettuare le seguenti misure:

1. Se il primo mesone decade, lo fa in un leptone con carica positiva, tu sai che il secondo deve essere una particella anti-B.
2. Quindi misuri il decadimento della particella anti-B e vedi quante di loro ti danno un decadimento in un Kaon di breve durata.
3. Quindi, si cercano eventi in cui l’ordine dei decadimenti viene invertito e gli stati iniziale e finale vengono scambiati, cioè, dove il primo mesone si decompone in un Kaon a vita lunga ed è seguito dal secondo che decade in un leptone con carica negativa.

Questa è una prova diretta della violazione dell’inversione temporale. Se i due tassi di eventi non sono uguali, la  T-simmetria è interrotta.

Ci sono quattro asimmetrie indipendenti che violano l’inversione del tempo nella decadenza del sistema Υ (4s), che corrisponde a decadimenti in leptoni carichi e combinazioni di quark-antiquark incanto. La curva blu tratteggiata rappresenta la migliore adattabilità ai dati BaBar senza violazione di T; puoi vedere quanto sia assurdamente cattiva. La curva rossa rappresenta i dati più adatti con violazione di T. Sulla base di questo esperimento, la violazione diretta di T è supportata a livello di 14 sigma. –  JP LEES ET AL. (THE BABAR COLLABORATION), PHYS. REV. LETT. 109, 211801 (2012)

Ci sono voluti la creazione di oltre 400 milioni di particelle Υ (4 s) per rilevare direttamente la violazione dell’inversione del tempo, e questo è stato realizzato dalla collaborazione BaBar nel 2012. Il test per l’inversione degli stati entangled iniziali e finali è, ad oggi, l’unico test diretto mai eseguito per vedere se la T-simmetria è conservata o violata in modo diretto. Proprio come previsto, le interazioni deboli violano la T-simmetria, dimostrando che le leggi della fisica non sono identiche se il tempo scorre avanti o indietro.

Nella fisica delle particelle, il gold standard per il significato sperimentale è una soglia di 5-sigma. Eppure i fisici BaBar hanno raggiunto un significato di 14-sigma: un risultato notevole.

Il motivo per cui probabilmente non ne hai mai sentito parlare? La scoperta è stata messa in ombra da notizie di fisica delle particelle leggermente più grandi che si sono verificate nello stesso anno, tipo la scoperta del bosone di Higgs.

Ma questo risultato forse vale anche il Nobel.

Le leggi della natura non sono le stesse andando avanti o indietro nel tempo.

Dopo sette anni, è ora che il mondo senta l’impatto di questa scoperta.