Misura del momento di dipolo elettrico del protone
Gruppo di ricerca:
Prof. Paolo Lenisa
Dr.ssa Greta Guidoboni
Dr. Luca Barion
Dr.ssa Susanna Bertelli
Prof. Giuseppe Ciullo
Dr. Marco Contalbrigo
Dr. Andrea Pesce
Il mistero della materia nell'Universo.
- Perché siamo fatti di materia (e non di antimateria)?
Secondo la Teoria del Big Bang che descrive l'evoluzione dell'universo dai primi istanti della sua nascita, in origine materia ed antimateria erano presenti in ugual misura. Successivamente, l'universo è passato dalla condizione iniziale di simmetria allo stato attuale in cui la materia domina sull'antimateria. Questo processo viene chiamato bariogenesi.
I criteri che descrivono questo processo furono formulati dallo scienziato sovietico Andrej Sakharov nel 1967 e includono meccanismi che violano la simmetria C (coniugazione di carica) e la simmetria combinata di CP (coniugazione di carica e parità). In particolare l’asimmetria di CP è quella che ci dice che materia ed antimateria non si comportano esattamente allo stesso modo. In assenza di tali violazioni, generazione di materia e di antimateria avverrebbero con la stessa velocità, senza generare alcun dominio della materia.
Il modello standard, la moderna teoria delle particelle fondamentali e delle loro interazioni, non è in grado di spiegare l'attuale valore di asimmetria barionica. In particolare, la violazione della simmetria di CP (che descrive bene i decadimenti dei mesoni K e B) non è sufficiente a spiegare la bariogenesi. Occorre quindi investigare l’esistenza di ulteriori meccanismi di violazione di CP.
- Il momento di dipolo elettrico.
Un possibile metodo che permetta di individuare nuove sorgenti di violazione di CP è dato dalla ricerca del momento di dipolo elettrico delle particelle fondamentali.
Il momento di dipolo elettrico (EDM) di una particella è rappresentato da una separazione dei centri di carica positiva e negativa nel volume della particella stessa. In natura non è raro trovare sistemi che presentino un momento di dipolo elettrico non nullo.
Ad esempio la molecola dell’acqua si dice “polare” per il fatto che i centri delle cariche positive e negative sono separati tra loro. Se facessimo l’assunzione che il momento di dipolo elettrico dell’acqua fosse determinato dal prodotto della carica dell’elettrone per la dimensione della molecola dell’acqua stessa, non faremmo un grosso errore (sbaglieremmo all'incirca di un ordine di grandezza).
Se invece applicassimo lo stesso ragionamento ad una particella come il neutrone, faremmo un errore di almeno 10 ordini di grandezza! Quale è il motivo di tutto ciò?
Lo stato fondamentale dell’acqua è degenere: è infatti dato dalla sovrapposizione di stati con parità opposta. La molecola di acqua può avere un momento di dipolo elettrico, perché ciò non viola alcuna simmetria fondamentale della natura. Al contrario invece una particella fondamentale (ed anche neutrone e protone) possiede un ben definito stato di parità e non può possedere un momento di dipolo elettrico, perché ciò violerebbe una delle simmetrie fondamentali della natura: quella di parità. La simmetria di parità (quella per cui la vita al di là dello specchio sia regolata dalle stesse leggi) è rispettata da tre delle interazioni fondamentali della natura. Fa eccezione la forza elettrodebole.
- Il momento di dipolo elettrico delle particelle fondamentali e la violazione di CP.
L' EDM di una particella deve essere allineato con lo spin della particella (che è l'unico asse di quantizzazione disponibile.. Questo allineamento genera una violazione della simmetria di P (parità) e T (inversione temporale) ed, assumendo valida la conservazione di CPT, che coinvolge la conservazione congiunta della carica (C) oltre che quelle di T e P, implica la violazione di CP. La ricerca del momento di dipolo elettrico quindi si rivela un potente strumento per la ricerca di violazione di CP.
- Prospettive sperimentali: misurare il diametro della terra con la precisione di un capello.
Il modello standard prevede che tutte le particelle fondamentali possiedano un EDM, ma le previsioni teoriche (neutrone, dn~10-34e·cm) sono lontanissime dagli attuali limiti sperimentali (dn~10-26e·cm), a differenza dei modelli di fisica oltre il modello standard che invece fanno previsioni che ricadono all'interno dei limiti sperimentali. La misura di un momento di dipolo elettrico diverso da zero negli attuali o futuri esperimenti di EDM sarebbe quindi una prova chiara e inconfutabile dell'esistenza di sorgenti di violazione di CP oltre il modello standard.
A partire dalla seconda metà del secolo scorso, la ricerca del momento di dipolo elettrico si è intensificata e concentrata su neutroni, molecole e atomi pesanti. Per i sistemi neutri l'idea di base è quella applicare un campo elettrico E e misurare l'energia di interazione E·d tra il campo e il momento di dipolo elettrico d.
Gli sviluppi recenti nella tecnologia degli anelli di accumulazione e dei fasci polarizzati hanno reso possibile proporre di misurare direttamente il momento di dipolo elettrico di particelle cariche. La soluzione consiste nel far circolare un fascio polarizzato all'interno dell'anello di accumulazione e farlo interagire con un campo elettrico radiale. Se il fascio è inizialmente polarizzato lungo la direzione del moto, allora la presenza di un momento di dipolo elettrico diverso da zero sarebbe identificata con la precessione della polarizzazione dal piano dell'anello verso la direzione verticale.
Il Dipartimetno di Fisica dell'Università di Ferrara ha iniziato una serie di studi in dedicati in collaborazione con Università ed Istituti di ricerca tedeschi ed americani. In particolare sono in corso studi di fattibilità presso l'anello di accumulazione COSY (COoler SYnchrotron), situato al Forschungszentrum di Juelich (Germania). L’obiettivo finale dell’esperimento è quello di misurare il momento di dipolo elettrico del protone al limite di dp~10-29e·cm.
Per avere un'idea della precisione richiesta si pensi di prendere un protone (di dimensione pari 1fm=10-15 m) e di estenderlo fino a diventare pari al diametro della terra. In questa situazione un momento di dipolo elettrico pari a quello che si intende misurare corrisponderebbe ad una separazione di carica inferiore a 10 um (il diametro di un capello).
Responsabile attività:
Prof. Paolo Lenisa
e-mail: lenisa@fe.infn.it
