ALICE - Nuovo Test di Invarianza CPT sui nuclei leggeri

Pubblicato Lunedì, 17 Agosto 2015

Un nuovo risultato dall'acceleratore LHC è stato raggiunto dalla Collaborazione ALICE (A Large Ion Collider Experiment). E' stata verificata l'uguaglianza di una proprietà fondamentale di materia e antimateria nucleare, la massa, a un livello di precisione mai raggiunto prima. La ricerca si è guadagnata la pubblicazione sulla pregistiosa rivista Nature Physics [Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei] ed è stata annunciata dal CERN e dall'INFN in un comunicato stampa [comunicato CERN, comunicato INFN, filmato su YouTube]

Grazie all'abbondante produzione di nuclei leggeri nelle collisioni tra nuclei pesanti di piombo, l'esperimento ALICE è riuscito a selezionare un campione di un milione di nuclei di antideuterio e di migliaia di nuclei dell'isotopo leggero dell'antielio, e a misurare la differenza di massa con i corrispondenti nuclei di materia. Questa differenza, entro le incertezze sperimentali, è risultata pari a zero. La misura conferma la validità di una simmetria fondamentale della natura, la cosiddetta simmetria "CPT"� (Carica, Parità, Tempo), in base alla quale se esiste un nucleo, allora esiste anche un antinucleo con la stessa massa, ma carica opposta. Il risultato migliora di un fattore da 10 a 100 limiti precedenti sulla validità  della simmetria CPT per nuclei leggeri.

Questo risultato è connesso al lavoro svolto dalla sezione INFN di Bologna in molti modi.

• La parola antimateria, infatti, non solo implica l'esistenza delle antiparticelle previste dalla teoria di Dirac, ma anche che queste interagiscano fra loro in modo totalmente simmetrico rispetto a quanto avviene per la materia ordinaria. Solo nel marzo del 1965, al CERN, grazie al gruppo di Antonino Zichichi, professore emerito presso l'Università di Bologna, arriva la prova sperimentale dell'esistenza dell'antimateria nucleare, con la scoperta dell'antideuterio e la misura della sua massa. Successivamente, vengono osservati anche altri antinuclei leggeri (antitrizio, antielio e antialfa).

• I fisici di ALICE hanno utilizzato per questa misura il rivelatore di tempo di volo TOF la cui costruzione e messa a punto, con finanziamenti INFN, è interamente sotto responsabilità delle sezioni INFN di Bologna e Salerno e del Centro studi e ricerche Enrico Fermi di Roma e di cui è project leader il professor Zichichi. Il tempo di volo è la misura del tempo che impiega una particella prodotta in una collisione a raggiungere questo rivelatore, a circa 4 m di distanza. La particella di luce, il fotone, impiega ad esempio poco più di 10 nanosecondi, 10 miliardesimi di secondo, a raggiungere il rivelatore. I nuclei di antideuterio analizzati dal team di ALICE, invece, vanno un po' più lenti, in media il 30% più piano, e i fisici li identificano proprio perché arrivano 5 nanosecondi dopo la luce. Conoscendone l'energia (più precisamente la quantità di moto), attraverso la misura del loro ritardo si può misurare con grande precisione la loro massa.

• All'interno della Collaborazione ALICE, l'analisi dei dati e la preparazione del paper è stata svolta da fisici del gruppo ALICE della sezione INFN di Bologna e del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna. L'accurata analisi delle incertezze sperimentali - che ha passato lo scrutinio della rivista Nature Physics - ha consentito di migliorare sensibilmente la precisione nella stima della differenza in massa di nuclei e antinuclei, fino ad arrivare a una parte su 10000 nel caso dell'antideuterio e una parte su 1000 per l'antielio.

Nella figura i nuovi limiti sulla differenza di massa per deuterio e anti-deuterio e ³He e anti-³He pubblicati da ALICE. Il miglioramento della sensibilità della misura su tale quantità è visibile confrontando la larghezza delle barre di errore delle misure precedenti (in nero) con la misura di ALICE (le incertezze sono comprese dentro la dimensione dei punti in rosso). Le incertezze sperimentali per la nuova misura sono visibili solo cambiando la scala (vedi figura), come mostrato nel riquadro in alto.