PCTO 2021 “Quasi Come Essere Al CERN” La Violazione Di CP Di Cosa Parleremo Il Rivelatore Lhcb Oggi? La Misura Che Realizzerete
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Fabio Ferrari PCTO 2021 “Quasi come essere al CERN” La violazione di CP Di cosa parleremo Il rivelatore LHCb oggi? La misura che realizzerete Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 2 Le simmetrie nella natura La natura è piena di simmetrie meravigliose ed affascinanti! Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 3 Dalla natura alla fisica • Perchè ci interessano tanto le simmetrie in fisica? • Emmy Noether nel 1915 ha enunciato un teorema che lega le simmetrie nella fisica a quantità che vengono conservate, cioè rimagono invariate tra l’inizio e la fine di un processo • Il teorema afferma che “Se un sistema possiede una simmetria continua, allora esistono delle quantità corrispondenti conservate nel tempo.” • La conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare sono solo alcuni esempi di quantità conservate grazie a delle simmetrie continue • Queste leggi di conservazione sono di fondamentale importanza nella fisica! Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 4 Noether in azione! La conservazione del momento angolare • Quando le leggi della fisica sono invariate in seguito a rotazioni continue del sistema di riferimento, allora si ha la conservazione del momento angolare (�) • Questo si può capire molto bene pensando ad una pattinatrice che ruota su se stessa • Se la pattinatrice chiude le braccia verso il corpo, diminuirà il suo momento di inerzia (�) ed aumenterà la sua velocità di rotazione (�) e grazie al teorema di Noether: � = �� = ���������� Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 5 Non solo simmetrie Una simmetria discreta è una simmetria che descrive un cambiamento non continuo di un sistema: per esempio un quadrato possiede una continue: scopriamo simmetria rotazionale discreta (infatti solo rotazioni di 90 gradi le simmetrie discrete conserveranno l’apparenza originale del quadrato) • Esistono anche alcune simmetrie discrete che si è sempre pensato che fossero conservate, come la trasformazione di parità (P) • Nell’illustrazione il sistema di riferimento x-y-z ha subito una trasformazione di parità (cioè una riflessione come allo specchio seguita da una rotazione di 180 gradi attorno all’asse z) • Dagli esperimenti risultava che la gravità e l’elettromagnetismo rispettavano la simmetria di parità • E i decadimenti delle particelle? Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 6 Esperimento di Wu • Chien-Shiung Wu ha cercato di capire se nella fisica delle particelle la trasformazione di parità fosse davvero una quantità conservata • Per farlo, si procurò del Cobalto-60 radioattivo che sarebbe dovuto decadere secondo la reazione • Per eseguire l’esperimento, il Cobalto-60 andava raffreddato quasi allo zero assoluto (-274 gradi) e ”orientato” tramite un campo magnetico • Se la parità fosse stata una simmetria conservata nel decadimento, Wu avrebbe dovuto contare lo stesso numero di elettroni emessi nella direzione del campo magnetico e nella direzione opposta al campo magnetico Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 7 Link alla pubblicazione di Wu Esperimento di Wu No asimmetria • Invece Wu misurò un’asimmetria nel numero di elettroni emessi nelle due direzioni • Se l’emissione fosse stata identica nella due direzioni i punti sul grafico dovrebbe distribuirsi attorno a 1 (come da 8 minuti in poi) • Invertendo il campo magnetico (e quindi l’orientamento del Cobalto- 60) l’asimmetria era ancora Scoperta della violazione della simmetria presente (e di segno opposto) di parità (P) nei decadimenti (1957) Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 8 Scoperta della violazione della simmetria P Chen Ning Yang • Questa scoperta portò i fisici teorici Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang (che avevano teorizzato la violazione di simmetria P e proposto a Wu di eseguire l’esperimento) a vincere il premio Nobel per la fisica nel 1957 • Purtroppo la “parità” venne violata anche nel mondo di tutti i giorni: Chien-Shiung Wu non vinse il premio Nobel e fu solamente menzionata nel discorso di accettazione del premio Tsung-Dao Lee Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 9 Un’altra simmetria discreta! • Così come per la simmetria di parità, si pensava che un’altra simmetria discreta, detta coniugazione di carica (C) fosse conservata, oltre che nelle interazioni gravitazionale ed elettromagnetica, anche nelle interazioni nucleari • Ma cosa vuol dire coniugazione di carica? Nelle leggi della fisica per operazione di coniugazione di carica si intende il cambiamento della carica di una particella Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 10 • Idea alla base molto simile a quella di Wu: selezionare Esperimento particelle dette muoni che viaggiano in una certa di Lederman, direzione e misurare la direzione degli elettroni Garwin e emessi nel decadimento dei muoni Weinrich • I muoni venivano fatti passare all’interno di un muro di cemento, dove si “fermavano” e decadevano secondo i processi elencati qui a fianco Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 11 Link alla pubblicazione • Un rivelatore contava il numero di elettroni o positroni emessi e l’angolo di emissione Esperimento • Si osservò un’asimmetria in funzione dell’angolo di di Lederman, emissione: gli elettroni prodotti nel decadimento Garwin e prediligevano alcune direzioni rispetto ad altre Weinrich → violazione della simmetria P • L’asimmetria era inoltre Scoperta della violazione più accentuata per il ! ! della simmetria di processo � → � �"�#̅ rispetto al processo �$ → $ coniugazione di carica (C) � �"̅ � # (violazione della simmetria C) nei decadimenti (1957) Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 12 • Fino a questo momento, si era dunque osservata una violazione della simmetria P e della simmetria C • Anche se le simmetrie P e C venivano violate singolarmente, l’operazione combinata di La simmetria esse (CP) non era messa in discussione dai CP due esperimenti precedenti • La conservazione della simmetria CP era ritenuta al sicuro da ogni eventuale violazione e tutte le evidenze sperimentali dell’epoca puntavano in questa direzione • Finchè… Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 13 Link all’immagine originale Lo strano caso dei mesoni K • All’inizio degli anni ‘60 erano note due particelle chiamate �! e �" ! (una l’antiparticella dell’altra). Nella fisica teorica il passaggio da una all’altra è reso possibile applicando una trasformazione di CP (cioè una trasformazione di coniugazione di carica seguita da una trasformazione di parità) • Tramite regole della meccanica quantistica è possibile definire sulla carta due nuove particelle, combinazione di �! e �" !, che furono chiamate �" e �# • Queste particelle hanno valori di simmetria CP ben definiti e pari a +1 e -1 Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 14 Lo strano caso dei mesoni K • Se la simmetria CP fosse conservata, la particella �! potrebbe decadere solamente in coppie di altre particelle (dette pioni), mentre la particella �" potrebbe decadere solo in terzetti di pioni # $ �! → � � # $ % �" → � � � • Se il meccanismo di decadimento fosse lo stesso, il mesone �! dovrebbe decadere molto prima del mesone �" (cioè dovrebbe avere una vita media più corta) • Sperimentalmente, era nota l’esistenza di due particelle % % chiamate �& e �' (dove S = short, L = long) con vite medie molto diverse e che sembravano essere i nostri �! e �" Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 15 L’esperimento di Christenson, Cronin, Fitch e Turlay • Nel 1964 Christenson, Cronin, Fitch e Turlay idearono il seguente esperimento • Dopo aver prodotto alcuni mesoni �! li fecero passare attraverso un collimatore per selezionare una precisa direzione di provenienza • Dopo il collimatore i mesoni �! decadevano all’interno di una zona riempita con elio Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 16 L’esperimento di Christenson, Cronin, Fitch e Turlay • I pioni prodotti dal decadimento dei mesoni �! volavano all’interno di spark chambers e rivelatori Cherenkov che ne misuravano la Quantità di moto, l’angolo di produzione e l’identità • Cosa si aspettavano di osservare Christenson, Cronin, Fitch e Turlay ? Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 17 L’esperimento di Christenson, Cronin, Fitch e Turlay • Se il mesone �% fosse decaduto in 3 pioni, la somma dei vettori quantità di moto dei pioni �! e �$ avrebbe formato un angolo diverso da 0 rispetto alla direzione iniziale �% • Viceversa, nel caso in cui il mesone �% fosse decaduto in 2 pioni la somma dei vettori quantità di moto dei pioni �! e �$ avrebbe formato un angolo pari a 0 • Inoltre, nel primo caso la somma delle masse di �! e �$ non avrebbe dato la massa 2 originale del �% (pari a 497.7 MeV/c ), mentre nel secondo sì Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 18 I risultati • Nella regione di massa attorno a quella attesa (497.7 MeV/c2) si osservò un accumulo di eventi in corrispondenza di cos � ≃ 1 → � = 0 • Questo significava senza ombra di dubbio che vi erano alcuni casi in cui il �% decadeva in 2 pioni invece che 3! • Questo non sarebbe potuto succedere se la simmetria CP fosse stata conservata Scoperta della violazione della simmetra CP nei decadimenti (1964) Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 19 Link all’immagine originale La spiegazione • Questo significava che i ' ' mesoni �& e �( erano in realtà sovrapposizioni quantistiche dei mesoni �) e �% e che quindi entrambi i decadimenti in due e tre pioni erano possibili Fabio Ferrari PCTO 2021 - Quasi come essere al CERN 20 Il riconoscimento