symmetry - dimensions of particle physics Kloe detector Laboratori Nazionali di Fisica Nucleare
 
KLOE
un esperimento in Italia dedicato alla fisica dei mesoni  K
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I risultati scientifici

Le misure possibili coprono una vasta serie di argomenti di studio nel campo della fisica delle particelle  elementari e comprendono le proprietà dei mesoni leggeri prodotti nel decadimento della Φ(1020), ma anche l'analisi dei processi di annichilazione elettrone-positrone in adroni, che ha implicazioni importanti per i test di precisione del Modello Standard delle interazioni fondamentali.  Inoltre alla Φ-factory le coppie di kaoni neutri sono prodotte in uno stato quanto-meccanico puro e quindi si può studiare il fenomeno della coerenza quantistica.  Di seguito sono schematicamente descritti alcuni dei risultati pubblicati dall'esperimento.


 Test di precisione delle simmetrie CPT e CP



CPT and CP test





Le interazioni  fondamentali sono invarianti se, in qualsiasi ordine, si invertono carica, parità e verso dell'evoluzione temporale dei sistemi. Tale simmetria, CPT, emerge in  tutte le teorie quantistiche locali che rispettino l'invarianza di Lorentz. Violazioni sono prevedibili nell'ambito di teorie quantistiche della gravitazione.  Una delle conseguenze della validità della simmetria è l'uguaglianza di massa e vita media per particelle e antiparticelle.
La violazione della simmetria per inversione di carica e parità, CP, nelle interazioni deboli è stata scoperta da Cronin e Fitch nel 1964, ed è accompagnata dalla violazione dell'invarianza per inversione temporale, in modo che si preservi CPT.
Una serie di misure estremamente precise di KLOE, che includono i rapporti di decadimento e la vita media dei kaoni neutri, hanno concorso a migliorare la sensibilità sperimentale verso i fenomeni di violazione di CP e CPT. Infatti, i rapporti di decadimento, le vite medie e i parametri che esprimono la violazione di CP e CPT in sistemi di kaoni neutri, sono legati tra loro dai  principi della teoria quantistica, in una relazione ricavata negli anni '60 da Bell e Steinberger, BSR. Tra i nuovi risultati di KLOE, particolarmente rilevanti in quest'ambito sono il  limite sperimentale sul decadimento del KS → π0 π0 π0, la misura del rapporto di decadimento del KL → π+ π-, ambedue processi che violano CP, e la prima misura dell'asimmetria di carica nel decadimento  KS → π e ν, la cui differenza con l'analoga asimmetria nel canale KL→ π e ν segnala violazione di CPT. Nella figura a sinistra è riportata la regione permessa dai risultati di KLOE per le differenze in vita media e massa di kaone e antikaone neutri. Per vite medie uguali, assunzione favorita dal punto di vista teorico, l'effetto di violazione di CPT non può determinare differenze in massa tra kaone e antikaone neutro superiori a 6×10-19 GeV, un numero circa 1018 inferiore alla massa stessa del kaone, che rappresenta un aumento in sensibilità sperimentale di un fattore 2 rispetto alle determinazioni precedenti.


 Test dell'unitarietà della matrice CKM


   
L'unitarietà  della matrice di mescolamento dei quarks (matrice CKM) è espressione del fatto che per tutte le famiglie di quark, organizzate in doppietti di isospin debole che comprendono un quark di tipo "up" e uno di tipo "down", la somma degli accoppiamenti del quark di tipo "up" con tutti i quark di tipo "down" è la stessa. Questa universalità degli accoppiamenti elettrodeboli nel Modello Standard  non è necessariamente presente in teorie più generali, come le Supersimmetrie, che possono prevedere sottili effetti che portano alla differenziazione degli accoppiamenti per le diverse famiglie. Test di grande  precisione in questo settore consentono quindi di porre limiti severi sull'entità dei fenomeni di nuova fisica in grado di determinare la violazione dell'universalità delle interazioni elettrodeboli. Attraverso la misura estremamente precisa dei rapporti di decadimento dei mesoni K,  della loro vita media e della dipendenza del numero di decadimenti semileptonici, K → π l ν, dal momento  trasferito al sistema leptonico, l'esperimento KLOE è stato in grado di verificare l'unitarietà della prima riga della matrice CKM,  Vud2 + Vus2 = 0.9985 ± 0.0009, con una precisione dell'1 per mille. Il risultato finale si è ottenuto combinando due misure sperimentali indipendenti di Vus, la prima dalle misure dei rapporti di decadimento semileptonici del K,  la seconda dalla misura del decadimento K+ → μ+ ν.  Nella figura a sinistra sono riportate, nel piano |Vud|-|Vus| le due misure di KLOE,  in verde quella dai decadimenti semileptonici, in celeste quella dal decadimento K+-->  μ+ ν, insieme alla misura di Vud, in rosso, ottenuta dagli esperimenti sui decadimenti β dei nuclei. In giallo è indicato il risultato della combinazione delle tre misure, mentre la linea nera rappresenta la condizione di unitarietà.


 Misura della sezione d'urto adronica










La misura  del momento magnetico del muone [lezioni del Prof. P. Franzini] rappresenta uno dei test di precisione più significativi della teoria delle interazioni fondamentali. Con la sua misura si è arrivati a controllare i calcoli nel settore elettrodebole con una precisione relativa di 0.5 parti per milione.  Questa è la precisione ottenuta  nel 2004 dall'esperimento E831 al Brookhaven National Laboratory di New York, con una tecnica sofisticata,  raffinata nel corso di più di un decennio di sperimentazione,  misurando il moto di precessione dello spin del muone in campo magnetico.  La precisione delle predizioni teoriche, simile a quella sperimentale, è limitata  soprattutto dalla conoscenza della sezione d'urto adronica a basse energie, settore in cui sono rilevanti le misure di KLOE.  Infatti per predire il comportamento in campo magnetico del muone al livello di precisione sperimentale raggiunta, occorre valutare una serie di contributi dovuti alle interazioni elettrodeboli, dei quali solo una parte sono calcolabili in teoria delle perturbazioni .  In particolare non è possibile utilizzare i calcoli perturbativi nel caso delle interazioni a basse energie dei quark, che pure contribuiscono al momento magnetico del muone per effetto della polarizzazione del vuoto.  Tali contributi vengono calcolati partendo dalla misura sperimentale dei processi elettrodeboli che a basse energie portano alla creazione di adroni.
KLOE ha misurato con un livello di precisione del per cento la sezione d'urto e+e-→ π+ π- in funzione della massa invariante del sistema dei 2 pioni. Nella figura accanto è mostrato il risultato della misura insieme al riquadro dove sono riportati i valori delle predizioni teoriche, non inclusive e inclusive della misura di KLOE, confrontati col risultato sperimentale di E831. La discrepanza, dell'ordine di 3 deviazioni standard, potrebbe essere confermata con maggiore significatività, o risolta, migliorando la conoscenza delle sistematiche della misura ad energie vicine alla soglia di produzione del sistema a 2 pioni, programma attualmente in corso a KLOE.




 Lo studio della coerenza quantistica




Leggi il lavoro      

Interferenza Quantistica


La meccanica quantistica stabilisce che un sistema isolato sia in grado di mantenere inalterate le correlazioni tra gli elementi costitutivi, indipendentemente dalla distanza relativa assunta nell'evoluzione temporale dai suoi elementi. La coppia di kaoni neutri prodotti alla φ-factory  viene  creata in un autostato di momento angolare 1 e parità negativa, fatto che
Evento con 4 pioni carichi
Evento con 4 pioni carichi nello stato finale. Sono mostrati in rosso i vertici di decadimento, in bianco le tracce ricostruite nella camera a deriva e in giallo e verde i depositi di energia nel calorimetro
impone una correlazione precisa tra i rispettivi prodotti di decadimento, dipendente dalla natura degli stati finali. In particolare, sono vietati stati finali identici generati contemporaneamente. Nella figura a sinistra è mostrata la distribuzione delle distanze relative tra i due kaoni quando decadono ambedue in una coppia di pioni carichi. Come si vede, la distribuzione presenta una modulazione che riflette la correlazione quanto-meccanica dei decadimenti misurati (interferenza quantistica). I dati sperimentali (pallini neri) sono confrontati con le previsioni ottenute dalla simulazione Monte Carlo dettagliata (rettangoli rossi) dell'interferenza quantistica e degli effetti strumentali associati alla misura finale.  Lo studio della figura di interferenza in KLOE ha permesso di escludere l'esistenza di sottili effetti di decoerenza, che potrebbero essere indotti dalla gravità quantistica.
Grazie al fatto che in KLOE si raccolgono tutti i canali di decadimento dei kaoni neutri, studi analoghi sono in corso per selezionare ed analizzare l'evoluzione temporale di altri stati finali, sensibili a caratteristiche diverse dei mesoni K.


 Studio del mesone scalare f0(980)
Il modello a quark è in grado di spiegare l'esistenza delle particelle soggette all' interazione forte in termini di stati legati di particelle elementari, denominate appunto quark, che hanno un numero quantico caratteristico associato, denominato "colore".  Il legame tra i quark è assicurato dallo scambio di bosoni dotati di carica di "colore", i gluoni. Tutte le particelle soggette all' interazione forte che ci circondano (protoni e neutroni che formano i nuclei atomici; pioni e altri mesoni leggeri prodotti nell'atmosfera dai protoni dei raggi cosmici primari)  e una grande parte, ma non tutte, di quelle prodotte agli acceleratori sono descrivibili in termini di stati legati a due e tre quark, i mesoni e i barioni. La possibilità che esistano stati legati di diversa composizione, come quelli formati da coppie diquark-antidiquark (il diquark è uno stato legato a due quark), non è esclusa dalla teoria e potrebbe spiegare alcune osservazioni sperimentali, tra cui l'esistenza del mesone scalare f0. Sono stati studiati anche modelli alternativi per spiegare la natura di questo mesone. Il programma sperimentale in corso punta a misure di precisione dei decadimenti dell'f0 in grado di falsificare le previsioni che discendono dai modelli impropri. 

L'esperimento KLOE ha misurato lo spettro in energia dei sistemi a due pioni ottenuti analizzando gli stati finali  π0π0γ e π+π-γ.  Ambedue sono dominati da processi e+e- → π π γ non risonanti, cioè che non discendono dalla creazione e dal successivo decadimento del mesone φ. Il numero di eventi raccolti e la qualità della ricostruzione sperimentale delle grandezze fisiche associate hanno però consentito ugualmente di estrarre e studiare il campione di e+e- → f0(980)γ → π π γ contenuto. Nel caso dei decadimenti in pioni carichi si è anche studiata l'asimmetria angolare del sistema. Nel plot a sinistra in alto è mostrato, nel caso dell'asimmetria angolare, come il processo dominante, rappresentato dai triangoli, non sia in grado di spiegare le osservazioni sperimentali, rappresentate dai pallini rossi. Solo l'introduzione nella simulazione del contributo dovuto al mesone f0(980) porta  a predire la distribuzione angolare corretta, rappresentata dai quadratini bianchi.  
L'analisi dello spettro in energia ha permesso di ottenere la misura dell'accoppiamento dell'f0 ai mesoni coinvolti nel processo, φ, pioni e kaoni, necessaria ma non sufficiente per capirne la struttura.
Nel plot in basso a sinistra è riportata la distribuzione in massa invariante del campione π0π0γ, nel piano Mππ - Mπ γ, con gli eventi f0(980)γ → π0π0γ ad alti valori Mππ  e quelli dovuti al  processo dominante e+e- → ωπ concentrati nelle due bande con Mππ < 700 MeV.
 
Studi ulteriori sono in corso per estrarre altri dettagli sperimentali utili a stabilire la natura di questa particella.