Le interazioni, dovute alla forza debole, che coinvolgono le particelle, avvengono solo ed esclusivamente nella modalità cosiddetta sinistrorsa. Nonostante diversi tentativi, è stato dimostrato che le interazioni deboli destrorse, praticamente, non esistono.
Per quale motivo l’universo possiede questa proprietà, e perché essa si manifesta solo in relazione alle interazioni deboli, mentre le interazioni forti, quelle elettromagnetiche e quelle gravitazionali presentano una perfetta simmetria tra le configurazioni sinistrorse e destrorse? Si tratta di una situazione che è stata dimostrata sperimentalmente in diversi modi, e nuovi esperimenti sono già pronti per approfondire questa proprietà. Anche se è ben descritto dalla fisica del Modello Standard, nessuno ancora è riuscito a dare una spiegazione del perché l’universo si comporti in questo modo. Vediamo dove arrivano le nostre conoscenze.
Si immagini una particella che si muove nello spazio; essa possiede alcune proprietà quantistiche come la massa e la carica; inoltre ha un momento angolare rispetto a tutte le altre particelle che le stanno intorno, e un momento angolare intrinseco rispetto alla propria direzione del moto, lo spin. Le specifiche proprietà quantistiche che la particella possiede determinano e definiscono il suo stato.
Solitamente, la fisica non pone particolare attenzione al modo con cui una particella ruota su se stessa: le leggi e le regole rimangono invariate. Una trottola obbedisce alle stesse leggi della fisica, sia che ruoti in senso orario che in senso antiorario; un pianeta che ruota attorno al proprio asse obbedisce alle stesse regole sia che ruoti nella stessa direzione o in quella opposta, rispetto alla sua orbita; un elettrone in rotazione che precipita in un livello energetico più basso, all’interno di un atomo, emetterà sempre un fotone, qualunque sia la direzione del suo spin. Nella maggior parte dei casi, le leggi della fisica obbediscono a una simmetria destra-sinistra.
La simmetria dello specchio è una delle tre classi fondamentali di simmetria che si possono applicare alle particelle e alle leggi della fisica. Nella seconda metà del ventesimo secolo, i fisici ritenevano che esistessero alcune simmetrie che si preservavano, e tre di queste erano:
- la simmetria di parità (P), secondo la quale le leggi della fisica rimangono invariate per tutte le particelle così come lo sono per i loro riflessi speculari;
- la simmetria della coniugazione di carica (C), dove le leggi della fisica sono le stesse sia per le particelle che per le antiparticelle;
- la simmetria dell’inversione del tempo (T), per la quale le leggi della fisica sono le stesse se si osserva un sistema che procede nel tempo, rispetto a un altro che invece va indietro nel tempo.
Sia nella fisica classica che nella Relatività Generale e persino nell’elettrodinamica quantistica, queste simmetrie sono sempre preservate.
Ma se si vuole sapere se l’universo è veramente simmetrico rispetto a tutte queste trasformazioni, è necessario testarlo in ogni situazione possibile e immaginabile. I primi segnali di una difformità rispetto alle ipotesi di conservazione della simmetria, sono stati percepiti nel 1956, l’anno in cui è stato scoperto sperimentalmente il neutrino. Questa particella era stata ipotizzata già nel 1930, da Wofgang Pauli, e immaginata come un piccolo e neutro quanto in grado di trasportare energia durante i decadimenti radioattivi.
Poiché, nelle previsioni, i neutrini avevano una sezione trasversale molto piccola, nell’interazione con la materia normale, lo stesso Pauli non era in grado di immaginare un modo reale per poterli rilevare. Ma qualche decennio dopo, non solo si era arrivati alla scissione dell’atomo, ma soprattutto a una notevole diffusione dei reattori atomici. Questi reattori, secondo le ipotesi di Pauli, dovrebbero produrre, in gande abbondanza, la controparte dell’antimateria del neutrino: l’antineutrino. Così, nel 1956, costruendo un rilevatore accanto a un reattore nucleare, fu possibile captare il primo antineutrino.
Tuttavia, fu notato qualcosa di interessante su questi antineutrini: ognuno di essi era destrorso, con il suo spin che puntava in senso antiorario guardando verso la sua direzione di movimento. Successivamente, i fisici hanno iniziato a rilevare i neutrini, e si è scoperto che ognuno di loro era sinistrorso, con lo spin orientato in senso orario, quando la sua direzione è verso l’osservatore.
A prima vista, la misurazione dei neutrini appare come un’impresa impossibile. Infatti, considerato che sia i neutrini che gli antineutrini interagiscono solo raramente con un’altra particella, come è possibile misurarne lo spin?
Di fatto, però, lo spin di queste particelle non è rilevato direttamente, ma andando ad analizzare le particelle che si creano a seguito di una loro interazione. Questo meccanismo viene attuato per tutte le particelle che non possono essere misurate direttamente, tra cui il bosone di Higgs, attualmente noto per essere l’unica particella fondamentale ad avere uno spin pari a 0.
Vediamo come viene effettuata questa misurazione indiretta.
Il bosone di Higgs qualche volta decade in due fotoni, che possono avere uno spin pari a +1 o -1. Dalla misurazione dei due fotoni, si ha che lo spin del bosone di Higgs può essere 0 o 2, perchè gli spin dei fotoni si possono sommare o sottrarre. D’altra parte, il bosone di Higgs qualche volta può decadere in una coppia di quark-antiquark, in cui ogni quark/antiquark può avere uno spin pari a +1/2 o – 1/2. Aggiungendo o sottraendo questi spin, si ottiene uno spin totale pari a 0 o 1. Effettuando una sola misura, non si avrebbe alcuna informazione sullo spin del bosone di Higgs, ma con tutte queste misurazioni combinate, l’unico valore ritenuto più adeguato per lo spin è lo 0.
Tecniche simili sono state utilizzate per misurare lo spin del neutrino e dell’antineutrino; queste tecniche hanno rivelato un universo che non presenta una simmetria speculare. Ponendo un neutrino sinistrorso davanti lo specchio, esso apparirà destrorso, proprio come la mano sinistra sembra essere la destra nello specchio. Ma nell’universo non vi sono neutrini destrorsi, così come non vi sono antineutrini sinistrorsi. Per qualche motivo oscuro, l’universo sembra preferire una configurazione piuttosto che un’altra.
In che modo è possibile dare un senso a tutto ciò?
I teorici Tsung Dao e Chen Ning Yang hanno proposto l’idea delle leggi di parità, e hanno mostrato che, mentre la parità sembrava essere una simmetria eccellente, che si conserva per le interazioni forti e quelle elettromagnetiche, nelle interazioni deboli questa conservazione non era stata provata. Per interazioni deboli si intendono quelle interazioni che coinvolgono un decadimento dove un tipo di particella si trasforma in un altro tipo, come per esempio un muone che diventa un elettrone, un quark strano che si trasforma in quark su, o un neutrone che decade in un protone.
Se la parità si conservasse, allora le interazioni deboli in generale (e, in particolare, ogni decadimento debole), si accoppierebbero ugualmente sia alle particelle sinistrorse che a quelle destrorse. Ma se la parità venisse violata, ci sarebbe la probabilità che l’interazione debole si accoppierebbe solo con particelle sinistrorse. E’ necessario trovare il modo sperimentale per dimostrare tutto ciò.
Nel 1956, Chien-Schiung Wu prese un campione di cobalto-60, un isotopo radioattivo del cobalto, e lo raffreddò fino a una temperatura prossima allo zero assoluto. Si sa che il cobalto-60, decade verso il Nichel-60, attraverso un decadimento beta: il decadimento debole trasforma uno dei neutroni del nucleo in un protone, con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino. Applicando un campo magnetico al cobalto, fu possibile allineare tutti gli atomi di cobalto-60 lungo lo stesso asse di rotazione.
Se la parità fosse conservata, si avrebbe la stessa probabilità di vedere gli elettroni emessi, noti anche come particelle beta, allineati con l’asse di rotazione e antiallineati con l’asse di rotazione. Ma se la parità fosse violata, gli elettroni emessi sarebbero asimmetrici. Wu riuscì a dimostrare che non solo gli elettroni emessi sono asimmetrici, ma che questa asimmetria era molto vicina a quella ipotizzata teoricamente.
L’interazione debole si accoppia solamente a particelle sinistrorse, per quanto finora è stato misurato. Questo solleva una domanda interessante su qualcosa che non è stato misurato: quando in un’interazione debole vengono coinvolti i fotoni, entrano in gioco sia quelli sinistrorsi e destrorsi, o solo quelli sinistrorsi? Per esempio, nelle interazioni deboli, si può trasformare un quark bottom (b) in un quark strano(s), situazione questa che si verifica normalmente senza che partecipi il fotone. Tuttavia, anche se soppresso, una piccola frazione di quark-b si trasformerà in un quark di tipo s, con l’emissione di un fotone extra, nella proporzione di 1:1000. Sebbene raro, il caso comunque può essere studiato.
Secondo le previsioni, questo fotone emesso dovrebbe essere sinistrorso: una situazione che sarebbe consistente con il modo in cui ci si aspetta che funzioni la parità nel Modello Standard. Ma se qualche volta si permettesse al fotone di essere destrorso, allora si troverebbe un’altra crepa nell’attuale cognizione della fisica. Alcuni decadimenti previsti potrebbero:
