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Visto un mesone trasformarsi in antiparticella e viceversa

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I fisici hanno dimostrato che una particella subatomica può passare nel suo alter-ego antiparticellare e viceversa, in una nuova scoperta rivelata oggi.

La misurazione straordinariamente precisa è stata effettuata da ricercatori britannici utilizzando l’esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) al CERN.

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Ha fornito la prima prova che un mesone charm può trasformarsi nella sua antiparticella e viceversa.

Fenomeno di miscelazione

Da più di 10 anni gli scienziati sanno che i mesoni charm, particelle subatomiche che contengono un quark e un antiquark, possono viaggiare come una miscela dei loro stati di particella e antiparticella.

È un fenomeno chiamato mescolamento.

Tuttavia, questo nuovo risultato mostra per la prima volta che queste particelle possono oscillare tra i due stati.

Affrontare grandi questioni di fisica

Armati di queste nuove prove, gli scienziati possono provare ad affrontare alcune delle più grandi domande in fisica su come si comportano le particelle al di fuori del Modello Standard.

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Una di queste questioni è se queste transizioni siano causate da particelle sconosciute non previste dalla teoria guida.

La ricerca, inviata a Physical Review Letters e disponibile su arXiv, ha ricevuto finanziamenti dal Science and Technology Facilities Council (STFC).

Mesone, essere l’uno e l’altro

Nello strano mondo della fisica quantistica, il mesone charm può essere se stesso e la sua antiparticella contemporaneamente.

Questo stato, noto come sovrapposizione quantistica, si traduce in due particelle ciascuna con la propria massa, una versione più pesante e una più leggera della stessa particella.

Questa sovrapposizione permette al mesone charm di oscillare nella sua antiparticella e viceversa.

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Differenze di massa

Utilizzando i dati raccolti durante la seconda esecuzione del Large Hadron Collider (LHC), i ricercatori dell’Università di Oxford hanno misurato una differenza di massa tra le due particelle.

C’era una differenza di 0.00000000000000000000000000000000000001 grammi, o nella notazione scientifica 1×10 -38 g.

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Una misurazione di questa precisione e certezza è possibile solo quando il fenomeno viene osservato molte volte.

Ciò è possibile solo grazie ai molti mesoni charm prodotti nelle collisioni del LHC.

Poiché la misurazione è estremamente precisa, il team di ricerca ha assicurato che il metodo di analisi lo era ancora di più.

Una tecnica innovativa

Per fare ciò, il team ha utilizzato una nuova tecnica originariamente sviluppata dai colleghi dell’Università di Warwick.

Ci sono solo quattro tipi di particelle nel Modello Standard, la teoria che spiega la fisica delle particelle, che possono trasformarsi nella loro antiparticella.

Il fenomeno della miscelazione è stato osservato per la prima volta nei mesoni Strange negli anni ’60 e nei mesoni Beauty negli anni ’80.

Fino ad ora, l’unica altra delle quattro particelle che è stata vista oscillare in questo modo è il mesone Strage, in una misurazione effettuata nel 2006.

Un fenomeno raro

Il professor Guy Wilkinson dell’Università di Oxford, il cui gruppo ha contribuito all’analisi, ha dichiarato:

Ciò che rende così impressionante questa scoperta dell’oscillazione nella particella del mesone charm è che, a differenza dei mesoni beauty, l’oscillazione è molto lenta e quindi estremamente difficile da misurare entro il tempo necessario al mesone per decadere. Questo risultato mostra che le oscillazioni sono così lente che la stragrande maggioranza delle particelle decadrà prima che abbiano la possibilità di oscillare. Tuttavia, siamo in grado di confermare questa scoperta perché LHCb ha raccolto moltissimi dati“.

Il professor Tim Gershon dell’Università di Warwick, sviluppatore della tecnica analitica utilizzata per effettuare la misurazione, ha dichiarato: “Le particelle di mesoni charm sono prodotte in collisioni protone-protone e viaggiano in media solo pochi millimetri prima di trasformarsi, o decadere, in altre particelle. Confrontando le particelle del mesone charm che decadono dopo aver percorso una breve distanza con quelle che viaggiano un po’ più lontano, siamo stati in grado di misurare la quantità chiave che controlla la velocità di oscillazione del mesone charm in mesone anti-charm: la differenza di massa tra le versioni più pesanti e più leggere di questi mesoni“.

Si apre una nuova porta per lo studio della fisica

Questa scoperta dell’oscillazione del mesone charm apre una nuova ed entusiasmante fase di esplorazione della fisica.

I ricercatori ora vogliono comprendere il processo di oscillazione stesso, potenzialmente un importante passo avanti nella risoluzione del mistero dell’asimmetria materia-antimateria.

Un’area chiave da esplorare è se la velocità delle transizioni particella-antiparticella è la stessa delle transizioni antiparticella-particella.

E in particolare, se le transizioni sono influenzate o causate da particelle sconosciute non previste dal Modello Standard.

Piccole misure dicono grandi cose

Il dottor Mark Williams dell’Università di Edimburgo, che ha convocato l’LHCb Charm Physics Group all’interno del quale è stata condotta la ricerca, ha dichiarato: “Misurazioni minuscole come questa possono dirti grandi cose sull’Universo che non ti aspettavi“.

Il risultato, 1×10-38 g, supera il livello di significatività statistica “cinque sigma” necessario per rivendicare una scoperta nella fisica delle particelle.

Ulteriori informazioni

LHCb è uno dei quattro grandi esperimenti dell’LHC al CERN di Ginevra ed è progettato per studiare i decadimenti di particelle contenenti un quark beauty.

L’obiettivo principale di LHCb è indagare sull’asimmetria materia-antimateria o “violazione di CP“.

Dopo il Big Bang, materia e antimateria sono state create in egual misura, ma quando si incontrano si annientano a vicenda. Poiché viviamo in un universo dominato dalla materia, deve, però, esserci una sottile differenza tra materia e antimateria che ha permesso alla materia di sopravvivere.

I mesoni fanno parte della grande classe di particelle formate da particelle fondamentali chiamate quark e contengono un quark e un quark antimateria.

Il mesone D0 è costituito da un quark charm e da un antiquark up, e la sua antiparticella, l’anti-D0, è costituita da un antiquark charm e da un quark up.

Questa misurazione è stata effettuata utilizzando il sottorivelatore Vertex Locator (VELO) di LHCb.

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