Vi presentiamo il kaone

Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Steve Shanabruch

Traduzione dell’articolo di Nathan Collins apparso su Symmetry Magazine l’11/10/2020:
https://www.symmetrymagazine.org/article/meet-the-kaon

Quasi 75 anni dopo la prima sorprendente rivelazione del kaone, gli scienziati stanno ancora esaminando questa particella per trovare indizi di fisica oltre la loro attuale conoscenza.

Tutto quello che Clifford Butler e George Rochester sapevano di sicuro è che avevano scoperto qualcosa di nuovo. Le fotografie scattate alla camera a nebbia dei loro esperimenti all’Università di Manchester rivelarono le tracce di due particelle che si comportavano in maniera diversa rispetto a qualunque cosa osservata prima.

Quando i due fisici pubblicarono i loro risultati nel 1947 sulla rivista Nature, potevano avere solo la minima percezione che la loro scoperta avrebbe nel tempo stravolto la comprensione mondiale della fisica delle particelle elementari.

Le osservazioni dei kaoni, questo è il nome con cui divennero note, e di altre particelle simili portarono i fisici sulla strada verso la scoperta di nuove proprietà quantistiche della materia, nuove particelle – inclusi i quark – e il crollo di quello che una volta era un sacrosanto costrutto chiamato simmetria CP, un’esatta relazione tra le leggi della fisica della materia e di quelle dell’antimateria. Oggi gli esperimenti di alta precisione con i kaoni stanno aiutando i ricercatori a esplorare i limiti dello stesso Modello Standard a cui queste particelle contribuirono a dare origine.

Ma tornando al tempo di Butler e Rochester, i fisici rimasero a grattarsi il capo, afferma Helen Quinn, professoressa emerita di fisica e astrofisica a SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy degli Stati Uniti.

“I kaoni non corrispondevano a nessuna delle idee che i fisici avevano al tempo – afferma Quinn. Infatti, quando i fisici realizzarono di aver bisogno di una nuova proprietà quantistica per descrivere le particelle, la chiamarono ‘stranezza’, perché queste particelle sono sempre sembrate un po’ strane”.

Lo zoo delle particelle si espande

All’inizio degli anni ‘40, sembrava che i fisici stessero venendo a capo delle particelle fondamentali e delle loro interazioni. Conoscevano gli elettroni, i protoni e i neutroni, i neutrini e perfino i positroni, le “antiparticelle” degli elettroni che Paul Dirac predisse negli anni ‘20. Capirono che c’erano forze oltre la gravità e l’elettromagnetismo, le forze nucleari forte e debole, e stavano lavorando per inquadrarle meglio.

Tuttavia quando apparirono nuove particelle inaspettate, emersero degli enigmi. I fisici scoprirono i muoni nei raggi cosmici tramite un esperimento con la camera a nebbia nel 1936 (Il nome “camera a nebbia” deriva dal fatto che le particelle elettricamente cariche che passano attraverso del vapor acqueo formano minuscole tracce di nebbia nella loro scia). In modo simile vennero scoperti i pioni nel 1947.

Nello stesso anno, Butler e Rochester annunciarono di aver scoperto le particelle da loro chiamate V⁺ e V⁰. Da un set di “forchette inusuali” nei loro dati, dedussero l’esistenza di due particelle di ugual massa, una carica positivamente e l’altra neutra, che decadevano in altre particelle.

Le particelle esibivano diverse proprietà curiose. Per prima cosa, erano pesanti – circa cinque volte la massa del muone – il che condusse a un altro enigma. Generalmente, le particelle più pesanti hanno una vita media più breve, ovvero sopravvivono per meno tempo prima di decadere in altre particelle più leggere. Con il proseguire degli esperimenti, i ricercatori scoprirono che nonostante la loro massa, le particelle avevano una vita media relativamente lunga.

Un’altra strana proprietà: le particelle erano facili da produrre, ma i fisici non sembravano capaci di produrne solo una alla volta. Se si fanno scontrare insieme un pione e un protone per esempio, si possono creare le nuove particelle, ma solo in coppia. Allo stesso tempo, queste possono decadere indipendentemente l’una dall’altra.

Uno strano nuovo mondo  

Negli anni ’50, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais e altri concepirono un modo per spiegare alcuni dei curiosi comportamenti che i kaoni e altre particelle appena scoperte esibivano. L’idea fu di attribuire a queste particelle una proprietà chiamata “stranezza”. Oggi i fisici intendono la stranezza come un numero quantico fondamentale associato ad una particella. Alcune particelle hanno stranezza pari a zero ma altre particelle possono avere stranezza pari a +1, -1 o, almeno in linea di principio, uguale a qualsiasi altro numero intero.

In particolare, la stranezza deve rimanere costante quando le particelle sono prodotte attraverso le forze nucleari forti ma non è costante quando decadono attraverso le forze nucleari deboli.

Nell’esempio citato in cui un pione e un protone collidono, entrambe le particelle hanno stranezza pari a zero. In più, questa interazione è governata dalla forza forte, per cui la stranezza delle particelle risultanti deve ammontare anch’essa a zero. Per esempio, i prodotti potrebbero includere un kaone neutro, che ha stranezza 1, e una particella lambda, che ha stranezza -1, annullando la stranezza del kaone.

Questo spiega perché le particelle strane appaiono sempre in coppia – la stranezza di una particella deve essere annullata da quella dell’altra. Il fatto che siano prodotte attraverso interazioni forti ma decadano attraverso interazioni deboli, che tendono a metterci più tempo a manifestarsi, spiega i tempi di decadimento relativamente lunghi.

Queste osservazioni portarono a diverse altre intuizioni fondamentali, afferma Jonathan Rosner, fisico teorico dell’Università di Chicago. Quando Gell-Mann e colleghi svilupparono la loro teoria, capirono di poter organizzare gruppi di particelle in classi legate alla stranezza e alla carica elettrica, uno schema oggi noto come La Via dell’Ottetto. I tentativi per spiegare questa organizzazione condussero alla previsione dell’esistenza di un set di particelle sottostanti: i quark.

La versione lunga e corta  

Un’altra importante caratteristica della teoria della stranezza: quando gli scienziati scoprirono che i kaoni strani potevano decadere, per esempio, in pioni ordinari, evinsero che l’interazione nucleare debole, diversamente dall’interazione nucleare forte, non aveva bisogno di mantenere la stranezza costante. Questa osservazione mise in moto un serie di sviluppi sperimentali e teorici con cui i fisici stanno lottando ancora oggi.

Con l’incremento di teorie secondo cui i kaoni neutri dovessero avere un’antiparticella con stranezza opposta al kaone neutro standard, Gell-Mann e Pais mostrarono che il kaone neutro poteva, attraverso complessi processi che coinvolgevano le interazioni deboli, trasformarsi nella sua stessa antiparticella.

Questo schema ha un’importante conseguenza: implica che ci sono due nuove particelle – in realtà diverse combinazioni del kaone neutro e della sua antiparticella – con diverse vite medie. Il K-long (K-lungo), come è chiamato ora, vive in media circa 50 miliardesimi di secondo, mentre il K-short (K-corto) vive solo meno di un decimo di miliardesimo di secondo prima di decadere. La previsione di queste particelle fu tra i risultati preferiti di Gell Mann, sostiene Rosner, per la facilità con cui emersero dalle basi della fisica quantistica.

Una simmetria della natura, spodestata

Una delle cose importanti riguardo i K-long e K-short, almeno nella teoria di Gell-Mann e Pais, era che obbedivano a qualcosa chiamata la simmetria CP. In maniera approssimata, la simmetria CP afferma che se si convertisse ogni particella nella sua antiparticella e si invertisse lo spazio intorno in una specie di Universo speculare, le leggi della fisica rimarrebbero le stesse. La simmetria CP si mantiene nella fisica classica, e fu la variante quantistica della CP che motivò Gell-Mann e Pais. (Tecnicamente, Gell-Mann e Pais furono all’inizio motivati dalla sola simmetria C, ma dovettero aggiornare la loro teoria quando gli esperimenti determinarono che le interazioni deboli violavano sia la simmetria di coniugazione di carica che di parità – ma in modo tale che la stessa CP sembrava rimanere una buona simmetria).

Ironicamente, un risultato motivato dalla simmetria CP portò alla sua caduta: nel 1964, James Cronin, Val Fitch e collaboratori che lavoravano al Brookhaven National Laboratory scoprirono che il K-long poteva – molto raramente – decadere in due pioni, una reazione che viola la simmetria CP. I decadimenti del kaone violavano quindi la simmetria CP.

Il regalo cosmico che continua a donare

All’inizio degli anni ’70, afferma Quinn, i fisici che stavano lavorando sul Modello Standard avevano bisogno di incorporare la violazione CP. Nel 1973 Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa, sviluppando un lavoro di Nicola Cabibbo, proposero la soluzione: il Modello Standard aveva bisogno di una coppia extra di quark oltre a quelli che avevano teorizzato. Predissero inoltre che certi quark decadono attraverso le interazioni deboli in altri quark in modi che violano la simmetria CP. Negli anni ’80 e ’90, gli esperimenti sui kaoni con KTeV al Fermilab e NA48 al CERN – assieme agli esperimenti sui mesoni B come BaBar a SLAC e Belle al KEK – indagarono come queste interazioni portavano alla violazione di CP. [NdR: Attualmente LHCb al CERN e Belle2 al KEK sono tra gli esperimenti più avanzati e precisi per tali misure].

Negli anni, i teorici hanno anche sviluppato teorie ancora più precise riguardo i vari modi in cui i kaoni possono decadere. Queste teorie sono così precise, sostiene Yau Wah, fisico dell’Università di Chicago, che la ricerca di decadimenti rari del kaone rimane tra i migliori modi per testare il Modello Standard.

“Il merito di questi test sta nel fatto che il Modello Standard è una teoria estremamente efficace”, dice Wah, che lavora all’esperimento K0TO, un progetto giapponese che cerca il decadimento di kaoni neutri in un pione, un neutrino e un antineutrino.

Nei prossimi cinque anni, afferma Wah, K0TO potrebbe essere in grado di confermare se le stringenti predizioni del Modello Standard relative a questo decadimento sono corrette. Se no, potrebbe indicare nuove sorgenti di violazione di CP oltre il Modello Standard.

Questi studi sono anche un buono strumento per esplorare la fisica a scale di energia estremamente alte, dal momento che qualsiasi deviazione dalle correnti predizioni richiederebbe nuove particelle con masse enormi – forse un milione di volte quella del protone, dice Cristina Lazzeroni, fisico dell’esperimento NA62 del CERN, dedicato a decadimenti rari dei kaoni carichi.

Lazzeroni afferma che NA62 ha già trovato qualche evidenza di kaoni carichi positivamente che decadono in pioni carichi positivamente e due neutrini, e che nei prossimi cinque anni si sta pianificando di testare la fisica del Modello Standard a un livello di accuratezza che consentirà di vedere se c’è nuova fisica da scoprire. Quello che è iniziato in una semplice camera a nebbia tre quarti di secolo fa sta continuando in alcuni degli esperimenti più precisi mai condotti, e i kaoni hanno una buona possibilità di continuare a dare frutti per i prossimi anni.