Il modello standard della fisica delle particelle è stato il mezzo predominante per spiegare quali sono gli elementi di base della materia e come interagiscono per decenni. Proposto per la prima volta negli anni '70, il modello afferma che per ogni particella creata, esiste un'anti-particella. Come tale, un mistero permanente posto da questo modello è il motivo per cui l'Universo può esistere se teoricamente è costituito da parti uguali di materia e antimateria.
Questa apparente disparità, nota come violazione della carica di parità (CP), è stata oggetto di esperimenti per molti anni. Ma finora, nessuna dimostrazione definitiva è stata fatta per questa violazione, o quanto tanta materia possa esistere nell'Universo senza la sua controparte. Ma grazie alle nuove scoperte rilasciate dalla collaborazione internazionale Tokai-to-Kamioka (T2K), possiamo essere un passo avanti verso la comprensione del perché esiste questa disparità.
Osservata per la prima volta nel 1964, la violazione di CP propone che in determinate condizioni non si applichino le leggi di simmetria di carica e simmetria di parità (alias CP-simmetria). Queste leggi affermano che la fisica che governa una particella dovrebbe essere la stessa se fosse scambiata con la sua antiparticella, mentre le sue coordinate spaziali sarebbero invertite. Da questa osservazione è emerso uno dei più grandi misteri cosmologici.
Se le leggi che regolano la materia e l'antimateria sono le stesse, allora perché l'Universo è così dominato dalla materia? In alternativa, se materia e antimateria sono fondamentalmente diverse, come si accorda con le nostre nozioni di simmetria? Rispondere a queste domande non è solo importante per quanto riguarda le nostre teorie cosmologiche predominanti, ma sono anche intrinseche alla comprensione di come funzionano le interazioni deboli che governano le particelle.
Istituita nel giugno del 2011, la collaborazione internazionale T2K è il primo esperimento al mondo dedicato a rispondere a questo mistero studiando le oscillazioni dei neutrini e anti-neutrino. L'esperimento inizia con la generazione di fasci di neutrini di muoni (o anti-neutrini di muoni) ad alta intensità presso il Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), che vengono poi lanciati verso il rivelatore Super-Kamiokande a 295 km di distanza.
Questo rivelatore è attualmente uno dei più grandi e sofisticati del mondo, dedicato alla rilevazione e allo studio dei neutrini solari e atmosferici. Man mano che i neutrini viaggiano tra le due strutture, cambiano "sapore", passando dai neutrini o anti-neutrini muonici ai neutrini elettronici o agli anti-neutrini. Nel monitoraggio di questi fasci di neutrini e anti-neutrini, l'esperimento osserva i diversi tassi di oscillazione.
Questa differenza di oscillazione mostrerebbe che c'è uno squilibrio tra particelle e antiparticelle, e quindi fornire per la prima volta la prima prova definitiva della violazione della CP. Indicherebbe anche che al di là del Modello standard esiste una fisica che gli scienziati devono ancora sondare. Lo scorso aprile è stato rilasciato il primo set di dati prodotto da T2K, che ha fornito alcuni risultati significativi.
Come ha affermato Mark Hartz, un collaboratore di T2K e il Professore assistente di progetto IPMU di Kavli, in un recente comunicato stampa:
"Sebbene i set di dati siano ancora troppo piccoli per fare una dichiarazione conclusiva, abbiamo riscontrato una debole preferenza per la violazione di CP di grandi dimensioni e siamo entusiasti di continuare a raccogliere dati e fare una ricerca più sensibile per la violazione di CP."
Questi risultati, che sono stati recentemente pubblicati nel Lettere di revisione fisica, includere tutti i dati eseguiti tra gennaio 2010 e maggio 2016. In totale, questi dati comprendevano 7.482 x 1020 protoni (in modalità neutrino), che producevano 32 eventi di neutrino con elettroni e 135 muoni di neutroni e 7.471 × 1020 protoni (in modalità antineutrino), che hanno prodotto 4 eventi anti-neutrino elettrone e 66 muoni neutrino.
In altre parole, il primo lotto di dati ha fornito alcune prove della violazione della CP e con un intervallo di confidenza del 90%. Ma questo è solo l'inizio e l'esperimento dovrebbe durare altri dieci anni prima di concludersi. "Se siamo fortunati e l'effetto della violazione del CP è grande, potremmo aspettarci 3 prove sigma, o circa il 99,7% del livello di confidenza, per la violazione del CP entro il 2026", ha affermato Hartz.
Se l'esperimento avrà successo, i fisici potrebbero finalmente essere in grado di rispondere a come l'Universo primordiale non si è annichilito. È anche probabilmente utile rivelare aspetti dell'Universo in cui i fisici delle particelle sono ansiosi di entrare! Per questo qui è probabile che si trovino le risposte ai segreti più profondi dell'Universo, come il modo in cui tutte le sue forze fondamentali si incastrano.
