BaBar: una freccia del tempo anche nel mondo dei quanti?

CALIFORNIA – Anche se in fisica teorica non esiste una teoria univoca del tempo, dal senso comune e soprattutto dall’esperienza sappiamo cosa si intende con scorrere del tempo e con freccia del tempo. Il nostro tempo è scandito in passato, presente e futuro e scorre necessariamente verso il futuro; ed è verso il futuro che tende la cosiddetta freccia del tempo. Sappiamo che non possiamo svegliarci domani mattina e decidere di riavvolgere il nastro della nostra vita come se si trattasse di un film; non possiamo viaggiare a ritroso del tempo e fermarci in un punto qualsiasi del nostro passato. Non possiamo nemmeno riavvolgere il nastro in avanti, come se il nostro futuro fosse già inscritto nella pellicola di un invisibile regista. 

 La nostra vita è dunque vincolata dall’ordine del prima e del poi scandito dal tempo, in quanto il flusso temporale è irreversibile. In generale, in fisica classica l’irreversibilità è confermata dal secondo principio della termodinamica che, in una delle sue formulazioni, recita: “l’entropia di un sistema isolato lontano dall’equilibrio termico tende a salire nel tempo, finché l’equilibrio non è raggiunto”. Di conseguenza, nei sistemi mesoscopici è impossibile “tornare indietro”, ossia invertire la freccia del tempo – una parte di energia è infatti dispersa in modo irreversibile. Cosa significa? 

 Immaginiamo di percorrere 70 Km con la nostra automobile. Se il “sistema automobile” fosse reversibile, potremmo far tornare l’auto al punto di partenza utilizzando l’energia che ha consumato all’andata (ad esempio, l’energia termica per attrito o l’energia di irraggiamento termico del motore). Anche se si trovasse un modo di recuperare parte dell’energia dissipata, questa non sarà mai sufficiente a riportare l’automobile al punto iniziale: ciò è dovuto all’aumento di entropia.

 Il destino degli oggetti quantistici – degli atomi e delle particelle che li compongono – è diverso da quello cui vanno incontro gli oggetti mesoscopici (l’automobile, io, il mio gatto, etc.). Per le particelle microscopiche non vale l’irreversibilità temporale che quotidianamente incontriamo. Torniamo all’esempio iniziale del nastro della nostra vita. Se riavvolgiamo come in un film la storia del “sistema uomo” e del “sistema automobile”, in entrambi i casi abbiamo un ordine di eventi sensibile e vincolato. In che senso? Se schiacciamo il tasto “avanti” abbiamo una successione di eventi diversa da quella che abbiamo se schiacciamo il tasto “indietro”: detto altrimenti, abbiamo due ordini asimmetrici. 

 Questa asimmetria non si riscontra se si osserva la storia di una o più particelle (ammesso abbia senso parlare, in questo ambito, di storia). Per capirci, possiamo dire che, a grandi linee, per le particelle vale qualcosa di simile alla reversibilità nei processi termodinamici. In termodinamica una trasformazione è reversibile se, dopo aver avuto luogo, può essere invertita riportando il sistema nelle condizioni iniziali senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema stesso: non deve esserci dissipazione di energia.

 In fisica quantistica gli urti tra due particelle sono reversibili in questo senso (sono irrilevanti qui degli effetti della reiterazione dell’esperimento sul sistema complessivo): questo concetto va sotto il nome di “simmetria della reversibilità temporale”. Quando una particella quantistica urta un bersaglio fermo, l’aumento di massa della particella in moto viene trasformato in una coppia particella-antiparticella. In che modo? Quando la particella si ferma perde progressivamente massa e torna alla massa a riposo. La stessa cosa vale per fasci di particelle che vengono fatti collidere frontalmente. Questo “ritorno alla massa a riposo” spiega come mai per le particelle la freccia del tempo che volge al futuro è simmetrica alla freccia che volge al passato.  

 L’ultimo esperimento BaBar, condotto nel laboratorio SLAC (www.slac.stanford.edu) presso il Dipartimento di Energia (DOE) in Menlo Park (California), e pubblicato nella rivista Physical review Letters, conferma che nel dominio quantistico la freccia del tempo ha una direzione preferenziale proprio mediante l’osservazione di una eccezione alla simmetria sopra descritta. 

Vediamo innanzitutto cos’è l’esperimento BaBar. Si tratta di una collaborazione internazionale che coinvolge più di cinquecento studiosi, tra fisici ed ingegneri, e che studia gli effetti della violazione CP. La simmetria CP è una simmetria quasi esatta delle leggi di natura; è osservabile sotto l’effetto dello scambio tra le particelle e le corrispondenti antiparticelle, la cosiddetta coniugazione di carica (C) e l’inversione delle coordinate spaziali o parità (P).

La simmetria C è valida per la forza di gravità, l’elettromagnetismo e l’interazione nucleare forte, non lo è per l’interazione debole; essa indica la simmetria delle leggi fisiche rispetto ad una trasformazione di coniugazione di carica. Usiamo il caso più semplice: cosa significa dire che le leggi dell’elettromagnetismo (sia nella sua versione classica che in quella quantistica) sono invarianti rispetto ad una trasformazione di carica? Significa che presa una carica q immersa in eventuali campi magnetici o elettrici e sostituita con una carica -q, se si invertono anche le direzioni dei campi elettrici e magnetici agenti su tale carica, non si ha alcuna variazione delle leggi della dinamica che descrivono tale carica. Con parità P si intende, invece, la proprietà di un fenomeno di ripetersi immutato dopo un’inversione delle coordinate spaziali. Di conseguenza, un sistema esibisce simmetria CP quando effettuando entrambi gli scambi (C e P) si ottiene ancora un sistema o un fenomeno osservato in natura.

 Se la simmetria CP fosse esatta cosa accadrebbe? Accadrebbe che esisterebbe solo antimateria, ipotesi confermata dal fatto che, ad esempio, il tasso di decadimento del mesone B sarebbe identico a quello della sua anti-particella in ogni stato finale: nel 2002 la violazione CP è stata dimostrata dagli esperimenti BaBar e Belle, l’analogo progetto presso l’acceleratore di KEK in Giappone. L’esperimento BaBar ha raccolto dati dal 1999 al 2008 ed ha fatto numerosi progressi nella conoscenza dei rapporti tra materia ed antimateria. L’asimmetria tra le due ha determinato la prevalenza della prima sulla seconda, ed è per questo che l’universo osservato ad oggi non è fatto di anti-particelle. Se la simmetria fosse stata perfetta per ogni particella originata nel Big Bang si sarebbe avuta una anti-particella, che avrebbe annichilato la prima trasformandosi in energia pura (teniamo però presente che l’asimmetria materia-antimateria che può scaturire a seguito di una violazione della simmetria CP è solo uno dei fenomeni necessari per spiegare l’asimmetria nell’Universo attuale). 

Per comprendere l’esperimento BaBar dobbiamo fare un ulteriore passo concettuale. Dobbiamo tenere a mente che la simmetria CP è collegata alla simmetria di inversione del tempo (CPT): il teorema dell’inversione del tempo considera tre variabili, la carica, la parità e il tempo. Si pone che le tre variabili debbano restare in equilibrio per ogni sistema di particelle dato; se una delle tre viola la simmetria, il teorema afferma che almeno una delle altre due deve trovarsi nello stesso stato – in pratica la violazione coinvolge sempre due variabili su tre. Fino ad oggi nessun esperimento aveva mai messo in evidenza alcuna violazione della simmetria CPT. I dati ottenuti nel 2002 da BaBar, con la sua evidenza di violazione della simmetria CP già in mano, costituiscono un buon punto di partenza per cercare un caso di violazione di simmetria CPT. 

Ora, l’esperimento BaBar fornisce proprio il primo caso di violazione CPT. “E’  stato emozionante condurre un’analisi sperimentale che ci ha permesso di osservare, direttamente e senza ambiguità, la natura asimmetrica del tempo”, ha commentato Fernando Martínez-Vidal, professore associato presso l’Università di Valencia e membro del Instituto de Fisica corpuscolare (IFIC), che ha condotto l’esperimento BaBar. 

Il concetto su cui si basa la violazione temporale osservata da BaBar non è nuovo; era infatti stato teorizzato nel 1999 nello studio del comportamento dei mesoni. Ecco il nuovo esperimento: prendiamo un mesone ed osserviamolo in due stati diversi (B-0 e B-1). Sfruttando l’entanglement quantistico, sappiamo che è possibile avere informazioni su B-0 osservando il comportamento di B-1 e viceversa, osservando, ad esempio, il tempo di decadimento di uno dei due. In questo modo è stato possibile rilevare che questa trasformazione si verifica con frequenza maggiore in una delle due direzioni. Ecco l’asimmetria CPT. 

“Questo è un modo nuovo per capire i dati che avevamo già utilizzato per misurare la violazione di CP”, ha sostenuto il coordinatore BaBar Abner Soffer, professore associato all’Università di Tel Aviv. “Compiendo osservazioni leggermente diverse rispetto al passato siamo stati in grado di vedere una innegabile violazione tempo. Il bello è che la violazione è sempre stata lì, ma nessuno aveva fino ad ora condotto l’osservazione nel modo giusto”.

La violazione CPT era già stata osservata dall’esperimento CPLEAR al CERN per  i kaoni neutri; all’epoca la misura non era stata diretta a causa della incapacità di distinguere la violazione del tempo dalla violazione di CP. Tanto più che l’interpretazione dei risultati, non essendo univoca né conclusiva, aveva attirato qualche critica. Come ha ricordato Fernando Martínez-Vidal, è molto difficile ricreare in laboratorio le condizioni adatte per catturare una violazione del tempo: ma l’esperimento BaBar ha fornito le condizioni ideali per una misura certa e diretta, ed è spettacolare che la soluzione è venuto dal fenomeno entanglement stesso usato per la comunicazione quantistica e l’informatica.

Come è evidente, le aspettative teoriche legate all’esperimento BaBar sono numerose. Lasciamo a Michael Roney, portavoce BaBar e professore presso l’Università canadese di Victoria un commento sulle potenzialità di BaBar: “i dati di Babar sono estremamente fruttuosi e continuano a produrre risultati importanti, come ad esempio un test unico e inequivocabile della teoria quantistica dei campi. Mentre continuiamo a lavorare su quasi 100 misurazioni per indagare la natura fondamentale del tempo e della materia, siamo gratificati di avere ulteriormente convalidato questa teoria sottostante (l’asimmetria CP)”. 

 Riferimenti bibliografici:

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i21/e211801 J. P.Lees et al. (BaBar collaboratori), Physical Review Letters, 109,  21 (2012). 

Bernabéu et al., Journal of High Energy Physics, 8, 64 (2012). 

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269399010436 Bernabéu & Banuls, Physical Letters B, 464,117 (1999). 

http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218301399000343 Wolfenstein, International Journal of Modern Physics E, 8, 501 (1999).

http://www.springerlink.com/content/c75043g7627313q4/?MUD=MP 

PAGE   \* MERGEFORMAT2