Gli scienziati hanno raggiunto un traguardo significativo nella ricerca sul perché il nostro universo sia composto principalmente di materia piuttosto che di antimateria. Misurando l'infinitesimale "inclinazione" dello spin della particella di deuterone all'interno di un anello di accumulazione, i ricercatori, tra cui A. Andres, A. Aggarwal e L. Barion, hanno stabilito il primo limite sperimentale in assoluto sul suo momento di dipolo elettrico (EDM). Questa scoperta, dettagliata in un nuovo studio condotto presso il COoler SYnchrotron (COSY), fornisce un'analisi critica della fisica oltre il Modello Standard e affronta la fondamentale Asimmetria Materia-Antimateria che permette al nostro universo di esistere.
Il mistero dell'esistenza: l'asimmetria materia-antimateria
L'Asimmetria Materia-Antimateria si riferisce allo squilibrio osservato tra materia barionica e antimateria barionica nell'universo osservabile. Secondo la teoria del Big Bang, l'universo avrebbe dovuto produrre uguali quantità di materia e antimateria, che alla fine si sarebbero annichilate a vicenda, lasciando dietro di sé solo radiazione. Tuttavia, la presenza di galassie, stelle e della vita conferma che un piccolo surplus di materia è sopravvissuto a questo processo cataclismatico.
Per spiegare questa discrepanza, i fisici cercano la violazione della simmetria di Carica-Parità (CP), un fenomeno in cui le leggi della fisica cambiano quando una particella viene scambiata con la sua antiparticella e le sue coordinate spaziali vengono riflesse. Sebbene il Modello Standard della fisica delle particelle includa una certa violazione di CP, questa è insufficiente a spiegare l'enorme Asimmetria Materia-Antimateria visibile oggi. Questo divario suggerisce l'esistenza di processi fisici o particelle non ancora scoperti che interagiscono in modi non ancora mappati dalla scienza moderna.
In che modo l'EDM del deuterone si collega alla violazione di CP?
Il momento di dipolo elettrico (EDM) del deuterone deriva da operatori che violano la simmetria CP nelle interazioni tra particelle, poiché un EDM diverso da zero viola sia la simmetria di parità (P) che quella di inversione temporale (T). Secondo il teorema fondamentale della conservazione CPT, una violazione della simmetria di inversione temporale deve essere accompagnata da una violazione della simmetria CP. Questo profondo legame rende l'EDM del deuterone una sonda unicamente sensibile per rilevare nuove fonti di violazione di CP che potrebbero spiegare l'Asimmetria Materia-Antimateria.
In una particella fondamentale, un EDM rappresenta una separazione permanente di carica positiva e negativa lungo il suo asse di spin. Se il deuterone — un nucleo atomico semplice composto da un protone e un neutrone — possedesse un EDM diverso da zero, ciò indicherebbe che la sua distribuzione di carica interna è leggermente "sbilanciata". Poiché il Modello Standard prevede un EDM così piccolo da essere quasi impossibile da misurare, qualsiasi rilevamento di un EDM più grande rappresenterebbe una "prova schiacciante" di una nuova fisica oltre la nostra comprensione attuale.
Qual è il significato del limite |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm?
Il limite |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm rappresenta il primo limite superiore sperimentale in assoluto sull'EDM del deuterone, fornendo un nuovo vincolo alla fisica oltre il Modello Standard. Questa misurazione è una fondamentale prova di concetto che dimostra la fattibilità dell'uso di anelli di accumulazione magnetici per cercare asimmetrie subatomiche. Sebbene il valore sia un limite superiore piuttosto che la scoperta di un momento non nullo, restringe lo spazio di ricerca per i modelli teorici che tentano di risolvere l'Asimmetria Materia-Antimateria.
Stabilendo questo confine, il team di ricerca ha fissato una linea di base per tutte le future misurazioni di precisione. Il risultato sperimentale è stato ottenuto con un livello di confidenza del 95%, il che significa che esiste un'elevata certezza statistica che l'EDM del deuterone non sia superiore a questo valore incredibilmente piccolo. Questo traguardo è particolarmente impressionante perché è stato raggiunto in un anello di accumulazione "convenzionale", ponendo le basi per esperimenti ancora più sensibili in strutture specificamente progettate per la ricerca dell'EDM.
A cosa serve il sincrotrone COSY negli esperimenti EDM?
Il sincrotrone COSY viene utilizzato negli esperimenti sull'EDM del deuterone per accumulare fasci di deuteroni polarizzati in un anello dove un campo elettrico induce la precessione dello spin se è presente un EDM. Controllando attentamente gli ambienti magnetici ed elettrici delle particelle, i ricercatori possono rilevare una minuscola "inclinazione" nell'asse di spin invariante rispetto al piano dell'anello. Questo ambiente ad alta precisione consente di isolare il segnale dell'EDM dal rumore di fondo molto più ampio del momento magnetico della particella.
Situato a Jülich, in Germania, il COoler SYnchrotron (COSY) è un acceleratore di particelle specializzato che utilizza il "raffreddamento del fascio" per mantenere un'elevata qualità del fascio per lunghi periodi. In questo esperimento, la struttura è stata dotata di diversi componenti sofisticati per gestire la complessa dinamica del fascio di deuteroni:
- Filtro di Wien a radiofrequenza: un dispositivo che applica campi elettrici e magnetici ortogonali per manipolare lo spin delle particelle senza modificare la traiettoria del fascio.
- Siberian snake superconduttore: una serie di magneti che ruota lo spin delle particelle per mantenere la polarizzazione e mitigare gli errori sistematici.
- Solenoide dell'electron-cooler: utilizzato per focalizzare e stabilizzare il fascio, garantendo che le particelle rimangano in un percorso stretto e prevedibile per la misurazione.
La metodologia: misurazione di precisione in movimento
Misurare l'EDM di una particella carica richiede l'identificazione di una piccola inclinazione dell'asse di spin invariante rispetto al piano dell'anello. In un mondo perfettamente simmetrico, lo spin di una particella che circola in un anello magnetico rimarrebbe allineato con il campo magnetico. Tuttavia, un EDM interagirebbe con i campi elettrici efficaci nel sistema di riferimento della particella, causando una lenta inclinazione dello spin al di fuori del piano orizzontale dell'acceleratore.
Il team di ricerca, guidato da A. Andres e colleghi, ha trascorso anni a perfezionare le tecniche per distinguere questa minuscola inclinazione indotta dall'EDM dalle inclinazioni causate dai disallineamenti meccanici dei magneti. La sfida è immensa: le inclinazioni osservate erano nell'ordine di pochi milliradianti, e i ricercatori hanno dovuto dimostrare che queste erano dominate da effetti sistematici piuttosto che da una proprietà fondamentale del deuterone stesso. Tenendo conto di questi errori, sono stati in grado di calcolare il valore massimo possibile che l'EDM potrebbe assumere senza essere rilevato.
Oltre il Modello Standard: cosa succederà ora?
Il Modello Standard prevede che l'EDM del deuterone sia di circa 10⁻³¹ e·cm, ovvero molti ordini di grandezza più piccolo dell'attuale limite sperimentale. Questa enorme discrepanza evidenzia la "finestra di scoperta" — lo spazio in cui potrebbe risiedere una nuova fisica, come la Supersimmetria o altre teorie oltre il Modello Standard. Se i futuri esperimenti rilevassero un EDM prima di raggiungere il limite minimo del Modello Standard, ciò fornirebbe una prova diretta delle forze che hanno causato l'Asimmetria Materia-Antimateria.
Guardando al futuro, il successo presso COSY fornisce una base tecnica per la costruzione di un anello di accumulazione per EDM dedicato. Tale struttura utilizzerebbe campi di deflessione "completamente elettrici" o "ibridi" per raggiungere sensibilità migliaia di volte superiori all'attuale limite. I ricercatori ritengono che, raggiungendo una sensibilità di 10⁻²⁹ e·cm, potrebbero finalmente scoprire la fonte della violazione di CP che ha permesso all'universo di crescere da una zuppa di radiazioni in un cosmo pieno di materia.
Conclusione: una base per la scoperta
La determinazione sperimentale del limite dell'EDM del deuterone segna il passaggio dalla speculazione teorica alla verifica sperimentale di precisione. Sebbene l'attuale limite di 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm non riveli ancora una "nuova fisica", dimostra che il metodo dell'anello di accumulazione è uno strumento praticabile e potente per la fisica nucleare. La collaborazione tra istituzioni internazionali e la maestria tecnica mostrata presso la struttura COSY hanno portato l'umanità un passo più vicino alla comprensione delle proprie origini.
Gli studi futuri si concentreranno sull'ulteriore riduzione delle incertezze sistematiche e sull'esplorazione degli EDM di altre particelle, come i protoni e i nuclei di elio-3. Mentre la ricerca globale sull'Asimmetria Materia-Antimateria si intensifica, le lezioni apprese da questo studio sul deuterone fungeranno da tabella di marcia per la prossima generazione di cacciatori di particelle che cercano di risolvere il più grande mistero del Big Bang.
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