I quark conoscono la loro sinistra dalla loro destra

Nuovo giro. Migliorando un esperimento classico, i fisici di Thomas Jefferson National Accelerator Facility (foto) hanno confrontato lo spin

Il modo in cui un elettrone interagisce con un'altra materia dipende dal modo in cui gira mentre fa le cerniere a destra, come un pallone lanciato da un quarterback con la mano destra o dalla sinistra come una pelle di maiale lanciata da un mancino. Ora, i fisici hanno confermato che i quark - le particelle che si uniscono in trii per formare i protoni e i neutroni nei nuclei atomici - esibiscono la stessa asimmetria.

Il risultato potrebbe dare alla fisica una nuova arma nella grande caccia per nuove particelle e forze. In questo momento, gli scienziati possono provare a far esplodere in aria nuove e massicce particelle, come fanno al più grande demolitore di atomi del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera. Oppure possono cercare sottili cenni di nuove cose esotiche oltre il loro modello standard provato e vero studiando le particelle familiari in grande dettaglio. Nell'ultimo approccio, il nuovo esperimento offre ai fisici un modo per sondare determinati tipi di nuove forze, afferma Frank Maas, un fisico nucleare dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz e il Centro GSI Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti in Germania. "Per un tipo specifico di modello, questo tipo di esperimento è molto, molto più sensibile degli esperimenti al LHC", afferma Maas.

La materia interagisce attraverso quattro forze: la forza elettromagnetica che crea legami leggeri e chimici, le forti forze nucleari che legano i quark e i nuclei, la debole forza nucleare che produce un tipo di decadimento radioattivo chiamato decadimento beta e gravità. (Potrebbero essercene altri, alcuni teorici hanno ipotizzato che possa esistere anche una seconda versione della forza debole). Un tempo, i fisici presumevano che tutte le forze obbedissero a una manciata di simmetrie. Quindi, per esempio, un sistema fisico dovrebbe comportarsi esattamente come la sua immagine speculare, una simmetria conosciuta come parità.

Tuttavia, nel 1957, i fisici scoprirono che la parità non regge nelle interazioni tra le particelle mediate dalla forza debole. Ad esempio, supponi di puntare gli elettroni rotanti a destra sui nuclei e osservarli rimbalzare. Se guardi la piccola galleria di tiro in uno specchio, vedrai elettroni che ruotano a sinistra rimbalzando sul bersaglio. Quindi, se l'interazione tra elettrone e nucleo fosse simmetrica allo specchio, allora la dispersione degli elettroni rotanti di destra e di sinistra dovrebbe essere la stessa. E, in effetti, questo è esattamente ciò che accadrebbe se gli elettroni carichi negativamente interagissero con i nuclei carichi positivamente solo attraverso la forza elettromagnetica.

Ma gli elettroni interagiscono anche con i nuclei attraverso la forza debole, che viola la parità e non è speculare simmetrica. Di conseguenza, gli elettroni rotanti di destra e di sinistra rimbalzano diversamente sul bersaglio, creando una leggera asimmetria nel loro schema di dispersione. Questo effetto è stato visto allo SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, in California, nel 1978 in un esperimento chiamato E122 che ha aiutato il modello standard emergente dei fisici del cemento. Una seconda forza debole, se esiste, dovrebbe dare risultati altrettanto sbilanciati.

Ma per quanto riguarda i quark? Come gli elettroni, possono girare in un modo o nell'altro mentre ruotano attorno a protoni e neutroni. E, secondo il modello standard, i quark con rotazione destra e sinistra dovrebbero interagire in modo leggermente diverso con un elettrone in arrivo, producendo un'ulteriore asimmetria o violazione di parità, quando la rotazione degli elettroni in arrivo viene capovolta. Ora, Xiaochao Zheng, un fisico nucleare dell'Università della Virginia a Charlottesville, e colleghi hanno osservato che un contributo minore , come riportano oggi a Natura .

Non era un'impresa da poco. Per vedere l'asimmetria extra, l'elettrone in entrata deve colpire il nucleo abbastanza forte da far esplodere un singolo quark, scatenando una pioggia di particelle, come è stato fatto in E122 ma non in esperimenti successivi. I ricercatori devono fare molta attenzione per assicurare che alternativamente brillino fasci ugualmente intensi di elettroni rotanti di destra e di sinistra sul bersaglio. Utilizzando l'acceleratore di elettroni presso la Jefferson National Accelerator Facility di Newport News, in Virginia, i ricercatori hanno brillato 170 miliardi di elettroni su un obiettivo di deuterio liquido nell'arco di 2 mesi nel 2009. Dopo aver elaborato i dati, sono stati in grado di misurare la parte in 10.000 dispersione di asimmetria con precisione sufficiente a tirare fuori il contributo dei quark, anche se con una grande incertezza. Il risultato concorda con la previsione del modello standard.

"Hanno misurato qualcosa di fondamentale a livello di quark che non è stato misurato prima", dice William Marciano, un teorico del Brookhaven National Laboratory di Upton, New York. Maas nota che il risultato non è così eccitante come avrebbe potuto essere, comunque. "Non hanno osservato alcuna nuova fisica al livello della loro precisione", dice. Il nuovo risultato pone limiti più stretti sui modelli che presuppongono una seconda debole forza, afferma Maas.

La misurazione non è la fine della strada. I 101 membri del team sperimentale intendono ripetere le loro misurazioni e sperano di migliorare la loro precisione di almeno un fattore 5, dice Zheng. Ciò dovrebbe consentire loro di testare nuove forze con molta più sensibilità, dice. Marciano concorda sul fatto che "questo è solo il primo passo". Egli osserva che potrebbe essere utile che l'asimmetria dei quark sia così piccola nel modello standard, in quanto ciò farà apparire qualsiasi deviazione relativamente grande.

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