La ricerca delle violazioni della simmetria di parità oltre il modello standard

Alla ricerca di una nuova fisica delle particelle oltre il modello standard

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La bibbia della fisica delle particelle ha bisogno un aggiornamento. E i fisici hanno una sola certezza: alcune particelle e forze potrebbero guardarsi allo specchio e non riconoscersi. Questo, di per sé, manderebbe in tilt il cosiddetto modello standard.

Quasi tutte le reazioni fondamentali tra le particelle subatomiche dell’universo sembrano uguali quando vengono ruotate allo specchio. Si dice che l’immagine speculare, chiamata parità, sia simmetrica, o che abbia simmetria di parità, in termini di fisica.

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Certo, non tutti seguono le regole. Sappiamo che, per esempio, le reazioni che coinvolgono la forza nucleare debole, che è strana per un sacco di altri motivi, violano la simmetria di parità. Quindi è ragionevole pensare che anche altre forze e particelle nel mondo quantistico violino le le regole in quest’area.

I fisici hanno alcune idee su quali siano queste altre ipotetiche reazioni che non apparirebbero allo stesso modo nello specchio e quindi violerebbero la simmetria di parità.

Queste strane reazioni potrebbero indicarci una nuova fisica che potrebbe aiutarci a superare o completare il modello standard della fisica delle particelle, quello che attualmente è il riassunto comunemente accettato di tutte le cose subatomiche.

Sfortunatamente, non vedremo mai la maggior parte di queste strane reazioni nei nostri collisori di particelle e nei nostri laboratori. Queste interazioni sono troppo rare e deboli per essere rilevate con i nostri strumenti, che sono sintonizzati su altri tipi di interazioni.

Ma potrebbero esserci alcune rare eccezioni.

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I ricercatori del collisore più grande del mondo, il Large Hadron Collider (LHC), situato vicino a Ginevra, hanno cercato queste rare interazioni. Finora non hanno trovato nulla, ma anche questo risultato è illuminante.

Questi risultati negativi contribuiscono a eliminare le ipotesi infruttuose, consentendo ai fisici di concentrarsi su vie più promettenti nella ricerca della nuova fisica.

Uno dei concetti più importanti in tutta la fisica è quello della simmetria. Si potrebbe anche ragionevolmente sostenere che i fisici sono solo cacciatori di simmetria. Le simmetrie rivelano le leggi fondamentali della natura che governano il funzionamento più interno della realtà

La simmetria è un grosso problema.

E quale sarebbe? La simmetria significa che se si modifica un elemento in un processo o interazione, il processo rimane lo stesso.

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I fisici dicono che il processo è simmetrico rispetto a quel cambiamento. Sono deliberatamente vago qui perché ci sono moltissimi tipi diversi di simmetria. Ad esempio, a volte è possibile modificare il segno della carica delle particelle, a volte è possibile eseguire i processi in avanti o indietro nel tempo e talvolta è possibile eseguire una versione dell’immagine speculare del processo.

Quest’ultimo, guardando un processo nello specchio, è chiamato simmetria della parità. La maggior parte delle interazioni subatomiche in fisica ti danno lo stesso identico risultato sia che siano fatte proprio di fronte a te o allo specchio. Ma alcune interazioni violano questa simmetria, come la forza nucleare debole, specialmente quando  engono prodotti neutrini nelle interazioni che coinvolgono quella forza.

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I neutrini ruotano sempre “all’indietro” (in altre parole, l‘asse del loro spin si allontana dalla loro direzione di movimento), mentre gli antineutrini ruotano “in avanti” (il loro asse di rotazione punta dritto mentre volano intorno). 

Ciò significa che ci sono differenze molto sottili nel numero di neutrini e antineutrini prodotti quando si esegue un esperimento regolare, rispetto a uno specchio ruotato che fa affidamento sulla forza nucleare debole.

Per quanto ne sappiamo, la forza nucleare debole viola la simmetria di parità. Ma forse non sono le sole.

Sappiamo che una fisica oltre ciò che attualmente comprendiamo deve esistere. E alcune di queste idee e concetti ipotetici violano anche la simmetria della parità. Ad esempio, alcune di queste teorie predicono sottili asimmetrie nelle interazioni altrimenti normali che coinvolgono i tipi di particelle che l’LHC tipicamente esamina.

Naturalmente, queste idee ipotetiche sono esotiche, complesse e molto difficili da testare. E in molti casi, non siamo esattamente sicuri di cosa stiamo cercando.

Il problema è che mentre sappiamo che la nostra attuale concezione del mondo delle particelle, chiamata Modello Standard, è incompleta, non sappiamo dove cercare per sostituirla. Molti fisici speravano che l’LHC avrebbe rivelato qualcosa – una nuova particella, una nuova interazione, qualsiasi cosa – che ci avrebbe indirizzato verso qualcosa di nuovo ed eccitante, ma finora tutte queste ricerche hanno fallito.

Molte delle precedenti teorie sui front runner per ciò che è al di là del Modello Standard (come la supersimmetria) vengono lentamente escluse. È qui che la violazione della simmetria di parità potrebbe rivelarsi utile.

Quasi tutte le estensioni ipotetiche comuni al modello standard includono la limitazione che solo la forza nucleare debole viola la simmetria della parità (questo è infuso nella matematica fondamentale dei modelli, nel caso ti stia chiedendo come funziona).

Ciò significa che concetti come supersimmetria, assioni e leptoquarks mantengono questa simmetria che si rompe esattamente dove è, e da nessun’altra parte.

Ma se queste estensioni comuni non si espandono, forse è ora di allargare i nostri orizzonti.

Per questo motivo, un team di ricercatori ha ricercato violazioni della parità in una cache di dati rilasciati dall’esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) all’LHC; i risultati sono stati pubblicati in uno studio pubblicato il 29 aprile sul server di preprint arXiv.

Si è trattato di una ricerca piuttosto complicata, dal momento che l’LHC non è realmente impostato per cercare le violazioni di parità. Ma i ricercatori hanno intelligentemente trovato un modo per farlo esaminando gli avanzi nelle interazioni tra altre particelle.

Il risultato: non è stato trovato alcun segno di violazione della parità. Buona notizia per il modello standard (di nuovo). Sebbene sia un po’ deludente che questa ricerca non abbia aperto una nuova frontiera della fisica, aiuterà a chiarire le ricerche future.

Se continuiamo a cercare e non troviamo prove di violazione della simmetria do parità al di fuori della forza nucleare debole, allora sappiamo che qualunque cosa si trovi al di là del Modello Standard deve avere alcune delle stesse strutture matematiche della teoria fondamentale e permettere solo alla forza nucleare debole di sembrare diverso nello specchio.

Originariamente pubblicato su Live Science .