Simmetria CP
In fisica la simmetria CP è una simmetria quasi esatta delle leggi di natura sotto l'effetto dello scambio di particelle con le corrispondenti antiparticelle, scambio detto anche Coniugazione di carica (Simmetria C), e dell'inversione delle coordinate spaziali (Parità).
Un sistema o un fenomeno fisico esibisce la simmetria CP quando effettuando entrambi i summenzionati scambi si ottiene ancora un sistema o un fenomeno osservato in Natura; questa simmetria è considerata più fondamentale delle singole C e P che risultano essere grossolanamente violate in tutti i fenomeni fisici dovuti all'interazione debole.
Per esempio un neutrino esiste in natura, in ottima approssimazione, con un'unica direzione possibile per il proprio spin: sotto effetto della coniugazione di carica, si otterrebbe un anti-neutrino con la stessa direzione di spin, che in natura non esiste; analogamente, sotto effetto dell'operazione di parità, si otterrebbe un neutrino con direzione relativa opposta dello spin, anch'esso non osservato in natura; effettuando entrambe le operazioni, si ha un anti-neutrino con spin invertito, che effettivamente esiste.
Violazioni della simmetria
Quando la simmetria CP non è rispettata si parla di violazione della simmetria CP o in breve di violazione di CP; si tratta della più piccola violazione di una simmetria fisica nota in natura e come tale rappresenta uno dei campi di ricerca più attivi nella fisica delle particelle elementari.
La teoria dell'interazione elettrodebole prevede la possibilità di violazione CP grazie alla presenza di una fase complessa nella matrice CKM; condizione necessaria per la comparsa di questa fase, e quindi della violazione CP, è la presenza di almeno tre generazioni di quark.
Invece non vi è alcuna evidenza sperimentale di violazione della simmetria CP nelle interazioni forti, ovvero nella cromodinamica quantistica. Il cosiddetto problema della CP forte è costituito dal perché questa violazione, pur permessa dalla teoria, sia di fatto estremamente rara o inesistente.
Esiste anche una simmetria CPT ove T indica l'inversione temporale, di natura ancora più generale della simmetria CP, e di cui finora non è mai stata messa in evidenza alcuna violazione, risultando una delle simmetrie fondamentali della Natura.
Per molto tempo la simmetria CP è stata considerata una simmetria esatta della natura, ma la sua violazione, in una forma cosiddetta indiretta, è stata riscontrata nei processi che coinvolgono il kaone neutro in esperimenti condotti nel 1964 presso il laboratorio statunitense di Brookhaven, esperimenti che hanno fruttato il premio Nobel del 1980 per la fisica a James Cronin e Val Fitch.
A conclusione di trentennali campagne di ricerca, una seconda manifestazione della violazione della simmetria CP sempre riguardante i kaoni, la cosiddetta violazione diretta, è stata annunciata nel 2001 da esperimenti svolti presso il CERN di Ginevra e il Fermilab negli USA: questa scoperta ha provato che la violazione di CP è un fenomeno universale nei processi dovuti alle interazioni deboli.
Nel 2002 la violazione CP è stata ulteriormente dimostrata dagli esperimenti BaBaR, condotti da una collaborazione internazionale di varie centinaia di scienziati presso l'acceleratore lineare di particelle di Stanford, California, e Belle, analogo progetto presso l'acceleratore di KEK, Tsukuba, in Giappone. Se la simmetria CP fosse esattamente valida, il tasso di decadimento del mesone B e della sua anti-particella sarebbero identici in ogni stato finale, mentre i suddetti esperimenti hanno dimostrato che non è così. I risultati sono definitivi e sono stati desunti dall'analisi dei risultati di molti milioni di eventi[1][2]
La violazione della simmetria CP è di fondamentale importanza perché dimostra che nelle leggi di Natura esiste una seppur piccola asimmetria tra materia e antimateria. Questa asimmetria avrebbe determinato la prevalenza della prima sulla seconda dando luogo all'asimmetria barionica e fornendo la spiegazione che tutto l'universo osservabile consiste di particelle e non di anti-particelle. Se la simmetria fosse stata perfetta l'annichilazione completa fra materia e antimateria avrebbe impedito la formazione dell'universo attuale. L'asimmetria materia-antimateria che può scaturire a seguito di una violazione della simmetria CP, combinata con altri necessari fenomeni quali la violazione del numero barionico e la condizione che il processo avvenga in non-equilibrio termodinamico, potrebbe non essere sufficiente a spiegare l'asimmetria reale osservata oggi. Diversi programmi sperimentali hanno come scopo la ricerca di anti-particelle primordiali nell'universo.
Note
- ^ (EN) The Belle Collaboration, Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays, in Nature, vol. 452, n. 7185, marzo 2008, pp. 332-335, DOI:10.1038/nature06827.
- ^ (EN) Michael E. Peskin, Particle physics: Song of the electroweak penguin, in Nature, vol. 452, n. 7185, marzo 2008, pp. 293-294, DOI:10.1038/452293a.
Bibliografia
- Sozzi, M.S., Discrete symmetries and CP violation, Oxford University Press, 2008, ISBN 978-0-19-929666-8.
- Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles, Wiley, John & Sons, Inc, 1987, ISBN 0-471-60386-4.
- R. F. Streater and A. S. Wightman, PCT, spin statistics and all that, Benjamin/Cummings, 1964, ISBN 0-691-07062-8.
Voci correlate
Collegamenti esterni
- [1] I. Bigi, CP violation, an essential mystery in Nature's grand design. Invited lecture given at the XXV ITEP Winterschoold of Physics, February 18-27, 1997, Moscow, Russia, at 'Frontiers in Contemporary Physics', May 11-16, 1997, Vanderbilt University, Nashville, USA, and at the International School of Physics 'Enrico Fermi', CXXXVII Course 'Heavy Flavour Physics: A Probe of Nature's Grand Design', Varenna, Italy, July 8-18, 1997. hep-ph/9803479.
- Official BaBar Website, su slac.stanford.edu.
- Official Belle Website, su belle.kek.jp.
- Charge, Parity, and Time Reversal (CPT) Symmetry, su lbl.gov.
- Particle data group on CPT (PDF), su pdg.lbl.gov.
