Stringent limits on - and Lorentz-invariance violation from ~meson decays
Utilizzando dati di collisioni protone-protone a 13 TeV dal rivelatore LHCb, questo studio stabilisce i vincoli più precisi ad oggi sulla violazione della CPT e dell'invarianza di Lorentz nel sistema del mesone , misurando il parametro che viola la CPT e fissando limiti sui parametri di violazione di Lorentz al livello di all'interno del framework della Standard Model Extension.
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Al cuore della fisica moderna risiede un insieme di regole così fondamentali da definire il modo in cui l'universo si comporta. Due di queste regole sono la simmetria CPT e l'invarianza di Lorentz. La simmetria CPT è l'idea che se si invertisse il tempo, si scambiasse ogni particella con il proprio opposto (antimateria) e si ribaltasse l'universo come un'immagine speculare, le leggi della fisica rimarrebbero esattamente le stesse. L'invarianza di Lorentz è il principio secondo cui queste leggi non cambiano a seconda della velocità con cui ci si muove o della direzione in cui si è rivolti. Per decenni, questi principi hanno retto ogni prova, formando la base della nostra comprensione della realtà. Tuttavia, alcune teorie sugli strati più profondi dell'universo, come quelle che tentano di spiegare la gravità, suggeriscono che queste regole potrebbero rompersi a livelli di energia incredibilmente elevati. Se ciò accadesse, gli effetti sarebbero minuscoli, nascosti nel profondo del comportamento delle particelle subatomiche, in attesa di essere scoperti da strumenti di estrema precisione.
Un team di scienziati che lavora con il rivelatore LHCb al CERN ha esaminato nuovamente e con grande sensibilità questa questione utilizzando particelle chiamate mesoni . Si tratta di particelle effimere che contengono un quark bottom, create quando i protoni si scontrano quasi alla velocità della luce. I ricercatori si sono concentrati su come queste particelle decadono, ovvero si frammentano in altre particelle nel tempo. Nello specifico, hanno cercato un sottile schema di interferenza che apparirebbe se le regole della simmetria CPT o dell'invarianza di Lorentz fossero leggermente violate. In un mondo in cui queste simmetrie si mantengono perfettamente, il decadimento di una particella e del suo gemello di antimateria dovrebbe seguire un ritmo perfettamente prevedibile. Se le simmetrie fossero violate, quel ritmo oscillerebbe in un modo specifico, cambiando a seconda dell'ora del giorno mentre la Terra ruota e l'orientamento delle particelle cambia rispetto alle stelle.
Per trovare queste oscillazioni, il team ha analizzato una massiccia collezione di dati raccolti tra il 2015 e il 2018. Hanno setacciato miliardi di collisioni per isolare quasi 380.000 casi in cui un mesone è decaduto in un set specifico di particelle figlie: un mesone e un pione. Questo specifico percorso di decadimento è particolarmente utile perché è molto pulito e prevedibile, rendendo più facile individuare qualsiasi minuscola deviazione dal comportamento atteso. Gli scienziati hanno poi costruito un modello matematico dettagliato di come dovrebbero comportarsi queste particelle se l'universo seguisse le regole standard, e lo hanno confrontato con i dati reali. Hanno cercato segni che il tasso di decadimento cambiasse al volgere della Terra, il che indicherebbe che le leggi della fisica sono diverse a seconda della direzione in cui le particelle si muovono nello spazio.
Il risultato di questa ricerca esaustiva è stata una conferma che l'universo, almeno alle scale di energia testate, rispetta queste regole fondamentali. I ricercatori non hanno trovato prove delle oscillazioni che segnalerebbero una violazione della simmetria CPT o dell'invarianza di Lorentz, sebbene un confronto tra le ipotesi oscillatorie e quella costante abbia prodotto una significatività di 1,8 deviazioni standard, compatibile con una fluttuazione statistica. Hanno misurato i parametri che descriverebbero una tale violazione e li hanno trovati coerenti con lo zero, entro un margine di errore molto piccolo. Di fatto, le loro misurazioni sono le più precise mai effettuate per questo tipo di particella, spingendo la sensibilità a un livello tale da poter escludere qualsiasi violazione fino a una scala di circa una parte su dieci alla decima potenza. Ciò significa che, se queste simmetrie sono violate, l'effetto è così incredibilmente piccolo da essere attualmente invisibile anche ai più potenti rilevatori sulla Terra.
Questo lavoro non si limita a confermare ciò che già sospettiamo; restringe i vincoli su qualsiasi nuova teoria che proponga che l'universo sia più caotico ai suoi livelli più profondi. Dimostrando che il mesone si comporta esattamente come previsto, indipendentemente dall'ora del giorno o dalla direzione del suo viaggio, lo studio rafforza l'idea che le leggi della fisica siano effettivamente universali e immutabili. I ricercatori hanno di fatto chiuso la porta a una vasta gamma di possibilità su come queste simmetrie potrebbero rompersi, lasciando ai fisici un percorso più chiaro, seppur più impegnativo, nella loro ricerca della natura fondamentale della realtà. L'universo, sembra, rimane ostinatamente coerente.
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