Misurata la forza debole tra elettrone e quark

(Credit: INFN).

Apprendiamo con interesse dal comunicato stampa dell’INFN che ieri Nature ha pubblicato la prima misura ad alta precisione della violazione da parte della forza debole, negli urti tra elettrone e quark, di una della simmetrie fondamentali della natura: la parità. L’articolo è il risultato dell’esperimento PVDIS (Parity Violating Deep Inelastic Scattering) condotto ai Jefferson Laboratory, negli Stati Uniti, da una collaborazione di fisici di una decina di paesi e una trentina di università e istituti di ricerca, tra i quali sono numerosi i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Vi riporto con poche modifiche quanto dice il comunicato stampa. La forza debole è l’unica delle quattro forze fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale) a violare questa simmetria, con significative implicazioni sull’evoluzione dell’universo. Detto in modo molto schematico, la simmetria di parità garantisce che osservando un qualsiasi processo fisico in un sistema di coordinate spaziali o in un sistema nel quale le coordinate siano invertite rispetto al primo, il fenomeno si ripeta in modo identico, senza alcuna differenza. La conservazione della parità in tutte le interazioni tra particelle è stata considerata un fatto indiscutibile fino al 1956, quando Lee e Young ipotizzarono che non dovesse valere per l’interazione debole. La violazione della simmetria di parità per la forza debole fu definitivamente accettata dalla comunità scientifica un anno dopo, quando la scienziata cinese-americana Chien-Shiung Wu riuscì a verificarla sperimentalmente. A causa dell’estrema debolezza di questa forza, il grado di questa violazione non è semplice da misurare.

Per condurre la delicata misura, i ricercatori dell’esperimento PVDIS hanno osservato il comportamento degli elettroni nelle collisioni con i quark studiando una caratteristica degli elettroni chiamata elicità. L’elicità assume valore positivo se la rotazione dell’elettrone su se stesso (spin) e la sua velocità hanno la stessa direzione e negativo in caso contrario, cioè in un sistema di riferimento speculare, ottenuto dal primo per inversione di tutte le coordinate. Se la parità si conservasse, l’interazione di un elettrone con un quark, non dovrebbe dipendere dall’elicità dell’elettrone. Proprio l’osservazione di questa dipendenza, al contrario, ha permesso ai ricercatori di verificare e misurare la violazione di parità nelle interazioni elettrone-quark.

“Misurare la violazione della parità è un metodo molto efficace per ottenere informazioni dettagliate sull’interazione debole tra elettrone e quark, altrimenti difficili da determinare a causa dell’estrema debolezza di questa interazione – ha commentato Guido Maria Urciuoli, ricercatore della Sezione Infn di Roma e uno dei responsabili nazionali dell’esperimento. “L’elettrone, infatti, interagisce con i quark mediante un’interazione dominante, l’elettromagnetica, che conserva la simmetria di parità, e mediante l’interazione debole, molto meno intensa di quella elettromagnetica, che non conserva la parità. La misura della violazione di parità è quindi indiscutibilmente legata alla presenza dell’interazione debole e ne costituisce una preziosa misura indiretta.” (Fonte da cui ho ripreso il testo qui riportato con minime modifiche: http://www.infn.it).

Paper di riferimento:

The Jefferson Lab PVDIS CollaborationMeasurement of parity violation in electron–quark scattering, in “Nature” 506, 67–70 (06 February 2014) doi:10.1038/nature12964

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