lunedì 10 dicembre 2012

L’asimmetria del tempo.

 

Analizzando i dati collezionati in 10 anni di esperimenti (miliardi di collisioni tra particelle) i ricercatori della collaborazione Babar, hanno trovato che particelle di un certo tipo (chiamate mesoni Bo) si trasformano in particelle di un altro tipo con ritmi diversi a secondo della direzione del tempo, una violazione della simmetria del tempo ed una conferma che qualche processo subatomico ha una direzione preferenziale del tempo. I dati sono stati pubblicati sul giornale Physical Review Letters. Si tratta di risultati significativi con un errore minore di 1 su 10^43 (ben oltre la soglia per dichiarare una scoperta).

Nell’immagine semplificata riportata qui sotto, due diversi mesoni B stanno passando da uno stato all’altro (rappresentato dai diversi colori); comunque il B-blu cambia nel B-rosso piu’ rapidamente di quanto faccia il rosso-B in blu-B (un processo che va indietro nel tempo come mostrato dall’orologio al contrario). Per queste trasformazioni il tempo e’ stato provato essere asimmetrico. I cambiamenti avvengono con un ritmo diverso a seconda della freccia del tempo in accordo con I risultati dell’esperimento Babar.

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Vediamo un attimo che cosa e’ la collaborazione Babar. Si tratta di un esperimento designato per studiare alcune delle questioni fondamentali dell’Universo esplorando I suoi costituenti fondamentali: le particelle elementari. Originariamente l’esperimento era stato realizzato per spiegare quali fossero le differenze tra materia e antimateria e del perche’ l’Universo contiene piu’ materia che antimateria. Ma durante gli anni di servizio, Babar ha fornito altre risposte comunque fondamentali per la comprensione dell’Universo come:

  • Ci sono altre particelle oltre a quelle gia’ scoperte?
  • Come e’ possibile migliorare la nostra comprensione delle proprieta’ delle particelle e di come loro interagiscono?
  • Le particelle fondamentali si legano insieme in modi che noi ancora non conosciamo?
  • Quali sono I parametri che descrivono il mondo delle particelle?
  • Le particelle di materia oscura interagiscono con le normali particelle in qualche altro modo oltre che con la gravita’?

Ma come funziona l’esperimento Babar?

Utilizzando l’acceleratore SLAC si fanno scontrare elettroni e positroni (elettroni con carica positiva) a differenti energie, generando dei mesoni B che vivono per un corto periodo di tempo prima di decadere (vedi schizzo sottostante). Gli esperimenti per stabilire l’asimmetria del tempo sono stati fatti con questi mesoni B.

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Gran parte delle nostre conoscenze fisiche derivano dalla nozione di simmetria. La proprieta’ fondamentale di simmetria alla base del cosiddetto modello standard e’ descritta dal teorema CPT L’acronimo si riferisce a delle particolari trasformazioni:

1) Charge conjugation: scambio della carica da positiva a negativa e viceversa

2) Parity operation: scambio della destra con la sinistra e viceversa (e’ come guardare la realta’ allo specchio)

3) Time reversal: fare andare indietro il tempo nel senso di sostituire nelle relazioni fisiche tutte le t con –t).

Si presume che le leggi della fisica siano simmetriche rispetto alle trasformazioni CPT cioe’ debbano rimanere invariate (le stesse) quando applichiamo l’operazione CPT. Ma cosa dovrebbe accadere alla materia se ad essa applichiamo le trasformazioni CPT? Dovremmo ottenere dell’antimateria.

Per ogni particella della materia ordinaria deve esistere una particella di antimateria con la stessa massa, vita media e spin ma con carica e momento magnetico opposto. 
Un esempio e’ costituito dai positroni o antielettroni e dagli antiprotoni (dei protoni negativi) che insieme formano un atomo di antidrogeno.  

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Ma perche’ e’ cosi importante il teorema CPT e la sua eventuale violazione? La risposta sta nell’asimmetria tra materia e antimateria presente nel nostro universo. Cerchiamo di approfondire questo tema.

La materia orindaria come tutti sanno e’ fatta di atomi che a loro volta sono costituiti da un nucleo centrale con degli elettroni che gli orbitano intorno. I nuclei a loro volta sono fatti di protoni e neutroni i cui costituenti finali sono i cosiddetti quarks (up e down in diverse combinazioni).In definitiva quindi tutto cio’ che e’ all’interno del nostro universo e’ fatto di quarks ed elettroni. Queste sono quelle che noi chiamiamo le particelle elementari.

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Oltre alla materia esiste anche quella che I fisici chiamano l’antimateria. Essa e’ uguale alla materia ordinaria a differenza della carica elettrica che e’ di segno opposto. Da un punto di vista teorico e’ possibile avere degli antinuclei, antiatomi e anche anti-solidi. Ma dov’e’ l’antimateria nell’universo? Secondo la meccanica quantistica che regola I fenomeni a scala atomica e subatomica quando materia e antimateria si incontrano si annichilano trasformando la loro energia in luce.

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Anche se l’antimateria sembra essere qualche specie di materia esotica, essa viene utilizzata per esempio negli ospedali per la PET (positron emission tomography).

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Ritornando al nostro universo, perche’ oggi la stragrande maggioranza degli oggetti sono fatti di materia e non di antimateria? Poiche’ materia ed antimateria si annichilano, subito dopo il Big Bang essendo la quantita’ di materia ed antimateria la stessa noi avremmo dovuto avere un universo vuoto con all’interno solo luce. Ma noi sappiamo che non e’ cosi. E allora come sono andate le cose?

La risposta sembra venire dai risultati sperimentali di Babar che indicano che molto probabilmente le leggi della fisica per la materia e antimateria non sono esattamente le stesse avendo cosi all’inizio del nostro universo uno sbilanciamento piccolo verso la materia e con la scomparsa dell’antimateria dopo l’interazione con la materia ordinaria con conseguente emissione di luce. E questa asimmetria potrebbe essere dovuta proprio alla violazione delle trasformazioni CP e CPT. Qui di seguito un esempio di trasformazione CP utilizzando un quadro di Escher.

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