Marco S. Sozzi

Scuola Normale Superiore e Sezione INFN di Pisa

Uno dei risultati sperimentali di maggior rilievo ottenuti nei due anni passati nell'ambito della fisica delle particelle elementari è la conferma della violazione diretta della simmetria naturale CP, un fenomeno cercato dai fisici per 35 anni ed ancora in parte misterioso.

La simmetria CP (carica-parità) è la combinazione di due operazioni: l'inversione di tutte le cariche (elettriche e non) delle particelle (C), e l'inversione degli assi spaziali (P), quest'ultima equivalente alla riflessione in uno specchio.

Un fenomeno naturale rispetta la simmetria di parità se, osservato riflesso in uno specchio (ovvero scambiando la destra con la sinistra), mostra un fenomeno altrettanto realizzabile in natura. Questo comporta che la natura non distingua la destra dalla sinistra, che sarebbero dunque pure convenzioni senza alcun significato fondamentale. La simmetria di parità a livello fondamentale è in apparenza talmente "naturale" che fino al 1956 la si riteneva assolutamente valida per tutte le leggi della natura. In quell'anno i fisici T.D. Lee e C.N. Yang fecero notare, a seguito di un osservazione di M. Block, come non esistessero in effetti verifiche sperimentali della validità di questa simmetria nei fenomeni legati alle forze nucleari; uno storico esperimento di madam C.S. Wu, svoltosi nello stesso anno, mise in evidenza una grande violazione di questa simmetria nei decadimenti di nuclei radioattivi di cobalto.

Questa scoperta rappresentò uno shock per la comunità dei fisici, e fruttò il premio Nobel a Lee e Yang. Molti altri esperimenti mostrarono in seguito che in effetti le forze nucleari deboli - responsabili dei fenomeni radioattivi e dei processi che mantengono acceso il sole - violano la simmetria di parità in modo addirittura massimale: i processi elementari che violano tale simmetria sono altrettanto frequenti di quelli che la rispettano.

Lo sgomento dei fisici si placò in parte quando, dopo breve tempo, un nuovo paradigma si diffuse: se oltre ad invertire gli assi spaziali (operazione di parità) si invertono anche le cariche elettriche delle particelle coinvolte (operazione di coniugazione di carica), ovvero si considera un fenomeno in cui al posto di protoni (di carica elettrica positiva) si hanno antiprotoni (di carica elettrica negativa), al posto di elettroni (negativi) si hanno positroni (positivi) eccetera, si ottengono sempre fenomeni realizzabili in natura: la simmetria combinata CP sembrava essere una simmetria universale della natura. Dunque la distinzione tra destra e sinistra in natura veniva ad essere soltanto relativa alla distinzione tra cariche positive e negative: ciò che per la natura è la destra in un fenomeno che riguarda le particelle diventa la sinistra nel corrispondente fenomeno che riguarda le antiparticelle, e viceversa.

Nel 1964, J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch e R. Turlay, in un altro storico esperimento presso il laboratorio di Brookhaven negli Stati Uniti, che fruttò il premio Nobel nel 1980, scoprirono un particolare effetto, il decadimento del mesone K neutro a vita lunga in due pioni (anch'esso dovuto alle interazioni deboli) che viola la simmetria CP. Questa volta non c'erano altri principi di simmetria da invocare, e quando la violazione di CP fu confermata da altri esperimenti ci si dovette convincere che la natura in effetti distingue tra destra e sinistra, e tra particelle ed antiparticelle, che non sono quindi concetti puramente convenzionali ma assoluti.

L'importanza della violazione di CP è evidenziata da due altre considerazioni: secondo un teorema fondamentale - di cui esistono buone verifiche sperimentali - ogni legge fisica rispetta la combinazione di simmetrie CPT, dove T è l'operazione di inversione temporale, per la quale il verso dello scorrere del tempo viene invertito. Come conseguenza, se la simmetria CP è violata in un fenomeno, anche la simmetria per inversione temporale deve esserlo, affinchè la loro combinazione CPT sia ancora una simmetria valida. La violazione di CP implica dunque l'irreversibilità della natura a livello microscopico (che nulla ha a che vedere con l'irreversibilità dei fenomeni macroscopici a cui siamo abituati quotidianamente, la quale è conseguenza del fatto che tali fenomeni coinvolgono numeri enormi di particelle elementari e sarebbe vera anche in assenza di violazione microscopica di T).

In secondo luogo, come fece notare il fisico russo A. Sakharov nel 1967, l'esistenza della violazione di CP è una condizione indispensabile perché nell'universo, in cui il Big Bang ha creato numeri uguali di particelle e di antiparticelle, si possa generare una disparità tra di esse. Oggi sappiamo che tutto l'universo osservabile è praticamente composto di sola materia: le poche particelle di antimateria esistenti sono create dagli urti dei raggi cosmici nello spazio interstellare o dall'uomo nei laboratori di fisica. Quando materia ed antimateria vengono a contatto, si annichilano vicendevolmente, e partendo da quantità uguali delle due non rimane nulla: nè stelle, nè pianeti, nè tantomeno l'uomo.

Per questi ed altri motivi, dal 1964 ad oggi i fisici hanno studiato a fondo la violazione della simmetria CP, la cui natura è però rimasta misteriosa fino a questi ultimi anni. In particolare tale fenomeno non era stato osservato in nessun altro sistema se non in quello in cui fu originariamente scoperto (il sistema dei mesoni K neutri), e nessun esperimento era riuscito a mettere in evidenza fenomeni di violazione diretta di CP - quali differenze di comportamento tra particelle ed antiparticelle - neppure in tale sistema.

Si ha violazione indiretta di CP quando due stati con proprietà definite per tale simmetria (simmetrici od antisimmetrici) si mescolano tra loro dando origine a stati fisici "impuri", privi di tali proprietà. Nel caso dei mesoni K neutri, i due stati fisici hanno masse estremamente simili tra loro (la differenza di massa tra i mesoni K "a vita lunga" e quelli "a vita breve" è pari a 6 milionesimi di milionesimo della massa dell'elettrone, 3 x 10-6 eV): questo implica che anche forze molto deboli possano essere all'origine del mescolamento. Sempre nel 1964 L. Wolfenstein suggerì che un'ipotetica "quinta forza" super-debole potesse essere responsabile della violazione di CP indiretta misurata, senza avere alcun altro effetto osservabile in natura.

Da allora fino ad oggi è rimasto il ragionevole dubbio che la violazione di CP non fosse una proprietà generale della natura, riscontrabile come tale in molti fenomeni diversi, ma bensì una misteriosa peculiarità del sistema dei mesoni K. Solo l'osservazione della violazione diretta di CP, nei decadimenti delle particelle e non solo nel loro mescolamento, avrebbe potuto invalidare tale ipotesi; ad esempio, misure quantitativamente diverse di violazione di CP in canali di decadimento differenti non sarebbero spiegabili con la sola impurità degli stati fisici.

Diverse generazioni di esperimenti si sono succedute nei principali laboratori di fisica mondiali, ognuno dei quali ha confermato l'esistenza della violazione di CP nel sistema dei K solo nella sua versione indiretta osservata nel 1964, ma non ha potuto misurare alcuna violazione diretta di CP, del tipo necessario per spiegare l'assenza di antimateria nell'universo. Negli anni '90 i risultati degli esperimenti E731 a Fermilab (Chicago) e NA31 al CERN (Ginevra), di precisione comparabile, diedero risultati in disaccordo tra loro: mentre il primo indicava l'assenza di violazione diretta di CP, il secondo ne suggeriva la presenza, senza darne tuttavia un'evidenza inequivocabile.

Gli esperimenti più recenti nel campo sono KTeV a Fermilab e NA48 al CERN: di quest'ultimo, finanziato in modo consistente dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, fanno parte numerosi gruppi di ricerca italiani di Cagliari, Ferrara, Firenze, Perugia, Pisa e Torino, che hanno contribuito in modo determinante alla realizzazione dell'apparato sperimentale e all'analisi dei dati raccolti, in un ottimo esempio di efficace collaborazione internazionale.

Entrambi gli esperimenti hanno presentato nel 2001 i loro nuovi risultati, questa volta entrambi concordi nel confermare, con elevatissima precisione, l'esistenza della violazione diretta di CP nel sistema dei mesoni K. Le misure effettuate indicano che un mesone K neutro decade in uno stato di due pioni più frequentemente di quanto non faccia la sua antiparticella, l'antimesone K neutro: una differenza di soli cinque decadimenti su un milione, ma una differenza inequivocabile.

Questi risultati sono stati discussi e confrontati per la prima volta, insieme a molti altri fenomeni legati alle simmetrie fondamentali della natura, alla conferenza internazionale KAON2001 svoltasi a Pisa dal 12 al 17 giugno, sotto il patrocinio dell'INFN, della Scuola Normale Superiore e del Dipartimento di Fisica dell'Univ. di Pisa.

Questo risultato fondamentale ha per la prima volta mostrato che la violazione di CP è un effetto universale, una proprietà generale delle interazioni deboli. Si tratta dunque di un fenomeno osservabile anche in altri sistemi, quale ad esempio quello dei mesoni B, sul quale in effetti le misure sono iniziate e stanno per dare i primi risultati. [nota 2]

Molti altri esperimenti sono in corso, come KLOE a Frascati, o in preparazione per studiare la violazione di CP in tutte le sue manifestazioni, e cercare ora di scoprire perchè la natura presenti questa minuta preferenza per la materia rispetto all'antimateria, e quale sia la sua origine più profonda; si può dire tuttavia che solo la scoperta della violazione diretta di CP ha aperto la strada a queste ricerche, dando la ragionevole certezza che la violazione di CP possa essere studiata in molti modi diversi, che sicuramente forniranno ai fisici nei prossimi anni una grande quantità di informazioni importanti. [nota 3]

Ancora una volta la natura ha rivelato un suo segreto: un segreto molto ben nascosto ma di carattere assolutamente fondamentale per comprendere l'esistenza stessa dell'universo.