Uno dei fenomeni più affascinanti e misteriosi della natura è la differenza con cui le forze nucleari deboli agiscono su materia e antimateria: le proprietà di alcuni processi subnucleari cambiano se la materia è sostituita con antimateria e se si scambia destra con sinistra. Questo fenomeno, detto violazione della simmetria CP, è non solo interessante concettualmente, ma offre anche l'opportunità per estendere la nostra teoria standard delle particelle elementari, che sappiamo essere ancora incompleta.
Le particelle più adatte allo studio della simmetria CP sono i mesoni B. Sono composte da un quark leggero — come quelli che formano i nuclei della materia ordinaria — e dal suo partner bottom, mille volte più pesante. Uno dei processi più promettenti è il decadimento del mesone neutro B0 in due particelle leggere, i pioni neutri π0, un evento piuttosto raro: appena un B0 su un milione prende questa via per disintegrarsi. Identificarlo è complicato perché i pioni neutri π0 si trasformano a loro volta in fotoni, particelle di cui è difficile misurare precisamente la direzione.
L'esperimento Belle II è l’unico oggi che può studiare questi decadimenti. Si trova al laboratorio KEK in Giappone, installato nel punto di collisione tra elettroni e positroni dell'acceleratore SuperKEKB, dove vengono prodotti migliaia di mesoni B al secondo. Qualche mese fa il gruppo Belle II dell’INFN di Trieste ha completato un’analisi in cui ha ricostruito 125 di questi decadimenti rari a partire da centinaia di milioni di collisioni, grazie a tecniche di intelligenza artificiale e modelli statistici avanzati. Da quel lavoro sono arrivati i valori più precisi mai ottenuti per la probabilità del decadimento del B0 in π0π0 e per la differenza complessiva tra la probabilità di decadimento di particelle (B0) a antiparticelle (anti-B0).
Ora si compie un passo ulteriore: lo stesso gruppo triestino ha sviluppato un metodo del tutto nuovo per misurare, in questi decadimenti, la variazione della violazione di CP con il tempo di decadimento, cioè per osservare come la frequenza di decadimento di materia e antimateria differisca man mano che i mesoni B volano in Belle II per poi decadere. Tale variazione è molto sensibile alla possibile presenza di particelle non standard nel processo.
Un trucco quantistico: guardare il gemello
La sfida principale è che i decadimenti in sole particelle elettricamente neutre (come i quattro fotoni che derivano dal B0 in π0π0), non lasciano “impronte” misurabili nel punto in cui avvengono, rendendo impossibile misurarne direttamente la variazione temporale. Qui entra in gioco un’idea brillante: invece di guardare al tempo di decadimento del mesone che ci interessa, si osserva quello del suo gemello quantistico.
All’esperimento Belle II, i mesoni B sono prodotti sempre in coppie, particella e antiparticella, in uno stato di entanglement quantistico. Questo implica che le loro proprietà dinamiche — tra cui il tempo di decadimento — non sono indipendenti tra loro, ma correlate, come due ballerini che si muovono in perfetta sincronia. Misurando il tempo di decadimento del mesone gemello, che spesso decade in particelle facilmente misurabili, si ottengono informazioni anche sull’impronta “invisibile" del decadimento del B0 in π0π0, e quindi sulla variazione nel tempo della violazione di CP. La misura delle proprietà del mesone gemello è resa possibile solo dalla precisione del rivelatore Belle II e dalle proprietà dell'acceleratore SuperKEKB, entrambi strumenti all’avanguardia nel campo.
