Nuovi calcoli per spiegare lo sbilanciamento materia/antimateria

Un gruppo internazionale di scienziati, utilizzando dei supercomputer, ha elaborato un nuovo calcolo per fare maggiore chiarezza sullo sbilanciamento di materia e antimateria nell'universo

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Una collaborazione internazionale di fisici teorici – che comprende scienziati del Dipartimento di Stato USA per l’Energia (Brookhaven National Laboratory) e il RIKEN/BNL Research Center (RBRC) – ha recentemente pubblicato un nuovo calcolo, relativo alla ricerca in corso mirata a dare una spiegazione della predominanza della materia sull’antimateria, nel nostro universo. I risultati di questo studio sono stati descritti in un articolo, che sarà pubblicato sul Physical Review D.

Nel 1963, durante lo studio dei decadimenti dei kaoni, particelle subatomiche, nell’ambito di un esperimento per il quale al Laboratorio di Brookhaven fu conferito il Premio Nobel, gli scienziati osservarono, per la prima volta, una leggera differenza nel comportamento della materia e dell’antimateria, un fenomeno noto con il termine di violazione della simmetria CP. Il Modello Standard della fisica delle particelle sarebbe stato creato subito dopo, e capire se la violazione della simmetria CP, rilevata nei decadimenti del kaone, fosse in accordo con il Modello stesso si è subito rivelata un’impresa tutt’altro che facile, vista la complessità dei calcoli richiesti.

Il nuovo calcolo fornisce una previsione più accurata in relazione alla probabilità con la quale i kaoni decadono in una coppia di pioni elettricamente carichi, piuttosto che in una coppia di pioni neutri. Comprendere questi decadimenti e paragonare la previsione con le più recenti misure sperimentali, effettuate presso il CERN e presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento USA dell’Energia, fornisce agli scienziati un modo per provare le sottili differenze tra la materia e l’antimateria, e andare quindi alla ricerca di quegli effetti che il Modello Standard non riesce a spiegare.

Questo nuovo calcolo rappresenta un netto miglioramento rispetto al precedente risultato raggiunto dal gruppo di lavoro e pubblicato nel 2015 nelle Physical Review Letters. Basato sul Modello Standard, il calcolo fornisce un intervallo di valori, per quella che è chiamata la violazione diretta di simmetria CP nei decadimenti dei kaoni, che risulta essere consistente con i risultati misurati sperimentalmente. Questo significa che, compatibilmente con le nostre attuali conoscenze, la violazione CP osservata viene spiegata dal Modello Standard, ma è necessario un ulteriore miglioramento dell’incertezza nella previsione, poiché vi è anche una possibilità di rivelare qualunque fonte di asimmetria materia/antimateria, che supera la descrizione della teoria attuale del nostro mondo.

Un calcolo teorico del Modello Standard, ancora più accurato, potrebbe confluire in una regione di valori che vanno fuori dall’intervallo permesso dalle misure sperimentali. È quindi di grande importanza che la comunità scientifica continui il suo progresso, e renda sempre più raffinati i calcoli, in modo da avere a disposizione dei test sempre più robusti per la comprensione dell’universo.

Sbilanciamento materia/antimateria

La necessità di una differenza tra materia e antimateria è insita nella moderna teoria del cosmo. Le informazioni di cui disponiamo ci dicono che l’attuale universo è stato creato con quantità quasi uguali di materia e antimateria. Fatta eccezione per i piccoli effetti che vengono studiati in questo lavoro, la materia e l’antimateria dovrebbero essere uguali in ogni modo, al di là delle scelte convenzionali, come quella di assegnare carica negativa alla particella e carica positiva alla corrispondente antiparticella. Lo sbilanciamento esistente tra materia e antimateria dipende sicuramente da qualche differenza nel modo in cui questi tipi di particelle si comportano.

C’è però da dire che qualunque differenza tra materia e antimateria, finora studiata, è risultata essere molto debole per spiegare la predominanza della materia nell’attuale universo. Se si riuscisse a trovare una discrepanza significativa tra un’osservazione sperimentale e le previsioni basate sul Modello Standard, si avrebbe certamente una direzione da seguire verso un nuovo meccanismo inerente le interazioni tra le particelle, che vada al di là delle attuali conoscenze – e che potrebbe aiutare gli scienziati a spiegare questo sbilanciamento.

Modellare le interazioni tra quark

Tutti gli esperimenti che mostrano una differenza tra materia e antimateria prendono in considerazione particelle costituite da quark, i mattoni subatomici legati attraverso la forza forte per formare protoni, neutroni e nuclei atomici – e particelle meno familiari come i kaoni e i pioni.

I kaoni e i pioni sono costituiti da un quark e da un antiquark, circondati da una nuvola di coppie virtuali quark-antiquark, e tenuti insieme dai gluoni, che trasportano la forza di interazione.

I calcoli basati sul Modello Standard, che descrivono in che modo si comportano queste particelle, devono comprendere tutte le possibili interazioni tra i quark e i gluoni, così come descritto dalla moderna teoria delle interazioni forti, nota come CromoDinamica Quantistica (CDQ).

Inoltre, queste particelle legate si muovono con una velocità prossima a quella della luce. Ciò significa che i calcoli devono anche considerare i principi della relatività e la teoria quantistica, che governano le interazioni tra particelle con velocità vicine a quelle della luce.

Considerata l’enorme mole di variabili coinvolte, questi sono certamente tra i calcoli più complicati della fisica.

Sfida computazionale

Per vincere la sfida, i teorici hanno utilizzato un approccio particolare, chiamato il reticolo CDQ, che posiziona le particelle in un reticolo spazio-temporale a quattro dimensioni (le tre dimensioni spaziali più il tempo). Questo reticolo, simile a una scatola, permette ai ricercatori di mappare tutti i possibili percorsi quantistici che partono dal kaone iniziale e, attraverso il decadimento, si concludono con i due pioni. L’accuratezza del risultato aumenta all’aumentare del numero dei punti del reticolo. Per avere idea della dimensione del calcolo, basti pensare che l’integrale di Feynmann, applicato a questo esperimento, coinvolge l’integrazione di 67 milioni di variabili.

Questi calcoli così complessi sono stati eseguiti utilizzando supercomputer con elevate potenze di calcolo. La prima parte del lavoro, nella quale vengono generati campioni di campi di quark e gluoni, è stata eseguita sui supercomputer localizzati negli Stati Uniti, in Giappone e in Inghilterra. La seconda parte, più complessa, riguarda l’estrazione delle ampiezze di decadimento del kaone, ed è stata sviluppata presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), afferente al Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Il solo fatto di avere dei supercomputer non è di per sé sufficiente; anche su questi computer, i calcoli si rendono possibili solo se si utilizzano dei codici informatici ottimizzati, sviluppati appositamente per i calcoli specifici da eseguire.

Secondo i ricercatori, la precisione dei risultati non può essere migliorata in maniera significativa solo svolgendo un numero più elevato di calcoli. Invece, al fine di rafforzare le prove sul Modello Standard, si rende necessario superare delle sfide teoriche ancora più fondamentali, i cui risultati si potranno avere in un arco di tempo che va dai tre ai cinque anni.

Fonte: phys.org