Vogliamo dedicare una lezione ad un argomento molto complesso, che però rende ragione del fascino offerto dalla Fisica delle Particelle. Consideriamo tre trasformazioni considerate fondamentali nella Fisica delle Particelle:
1) la simmetria C, applicata ad un fenomeno fisico, e in particolare nel nostro caso all'interazione fra particelle, muta tutte le particelle nella corrispondente antiparticella, cambiando segno alla loro carica (si parla in proposito di coniugazione di carica);
2) la simmetria P o di parità, che cambia la sinistra con la destra invertendo le coordinate spaziali;
3) la simmetria T, o di inversione temporale, che cambia il verso di tutte le trasformazioni.
Ogni qualvolta che, applicando una delle tre operazioni suddette ad un processo fisico, si ottiene un altro processo fisico non vietato da qualche legge naturale, si dice che il processo fisico è invariante rispetto ad esse.
Si può verificare che, mentre le interazioni elettromagnetiche e quelle governate dalla forza nucleare forte sono invarianti per la coniugazione di carica C, le interazioni deboli violano tale legge.
Soffermiamoci
ora sull'operazione P, in quanto la sua invarianza, postulata a priori per qualsiasi
fenomeno fisico, non è valida in senso assoluto. L'operazione di parità consiste
nel mutare il verso di un sistema di assi coordinati, cioè nel trasformare una
terna destrorsa in una sinistrorsa e viceversa; in pratica, l'operazione
P
considera, di ogni evento della natura, la sua immagine speculare. Questo
ricorda da vicino uno dei capolavori della letteratura anglosassone,
«
Attraverso lo specchio e quel che Alice vi trovò », seguito di « Alice nel paese
delle meraviglie » e scritto nel 1871 da Lewis
Carroll (1832-1898) che, guarda
caso, era insegnante di Matematica. A fianco vedete una storica incisione
realizzata per questo libro da John Tenniel
(1820-1914).
Fino al 1956 la simmetria di parità P era stata assunta come una legge di natura, sicché tutti i fenomeni fisici, anche in assenza di specifiche prove sperimentali, erano considerati simmetrici, ossia invarianti, per l'operazione di riflessione spaziale, come attraverso lo specchio di Alice. In altre parole, l'immagine speculare di un fenomeno fisico reale doveva sempre rappresentare un fenomeno realizzabile, permesso cioè dalle stesse leggi che rendono possibile il fenomeno di partenza. Pensiamo ad esempio all'interazione elettromagnetica: se Alice considera due protoni, verificherà che questi avvertiranno una forza repulsiva, avendo entrambi carica positiva. Se Alice osserva lo stesso fenomeno nello specchio, anche le immagini speculari dei protoni continueranno a respingersi. Lo stesso ragionamento vale per tutti i fenomeni elettromagnetici: conduttori percorsi da correnti, magneti, antenne, onde radio... Nel 1927 l'ungherese Eugene Wigner (1902-1995) provò che le equazioni elettromagnetiche valide nel mondo reale valgono anche attraverso lo specchio, e in particolare restano invariate le quattro Equazioni di Maxwell, fondamento teorico dell'elettromagnetismo classico. Lo stesso vale per le interazioni gravitazionali: un oggetto che per Alice cade nel nostro mondo, lei lo vede cadere anche nello specchio, seguendo le stesse identiche equazioni. Anche i tre Principi della Dinamica, fondamento della Meccanica Classica, sono identiche di qua e di là dallo specchio.
Più complesso è il caso delle interazioni nucleari. Quanto all'interazione forte, non è mai stato osservato nessun fenomeno che, visto nello specchio, non segua le stesse equazioni valide nel nostro mondo. Consideriamo invece l'interazione debole. Tra i decadimenti mediati da essa c'è quello del cobalto-60, che decade beta meno in nichel-60 emettendo un elettrone. Nel 1956 la ricercatrice cinese Chien Shiung Wu (o Wu Jianxiong, 1912-1997), in collaborazione con i connazionali Tsung Dao Lee (o Li Zhengdao, 1926-) e Chen Ning Yang (o Yang Zhenning, 1922-), due fisici dell’Università di Chicago allievi di Enrico Fermi, ideò un esperimento per verificare se la simmetria allo specchio è rispettata anche dall'interazione debole. L'idea era molto semplice: Wu immerse un campione di cobalto-60 in un campo magnetico molto intenso e misurò se esisteva una qualche asimmetria nella distribuzione degli elettroni beta prodotti dal decadimento. Se ciò fosse accaduto, lo stesso esperimento ripetuto nell'universo dello specchio avrebbe dato un risultato opposto. E fu esattamente quello che la Wu osservò: gli elettroni di decadimento uscivano preferibilmente nella stessa direzione del campo magnetico, e quindi al di là dello specchio la nostra Alice appassionata di Fisica avrebbe osservato il contrario di quello che osservava nella realtà da cui proveniva, come si vede nell'illustrazione qui sotto. Di conseguenza, nel mondo di qua dallo specchio gli elettroni di decadimento venivano emessi parallelamente al campo magnetico, nel mondo di là dallo specchio invece erano emessi antiparallelamente. Per questo fu chiaro che l'interazione debole viola la simmetria di parità. Per quanto ne sappiamo solo l'interazione debole, tra le interazioni fondamentali della natura, viola la conservazione della parità P, cioè si comporta in modo diverso nel mondo di qua e nel mondo di là dallo specchio. Per questa scoperta, Lee e Yang ottennero il Premio Nobel per la Fisica nel 1957: furono i primi cinesi a vincere tale premio ma, anche in quel caso, come già in quello di Rosalind Franklin, James Watson e Francis Crick, la donna del terzetto fu discriminata dalla Fondazione Nobel.
Alice di Lewis Carroll di fronte all'esperimento di Chien Shiung Wu
La violazione della parità nelle interazioni deboli dimostra una volta di più come nella scienza sia impossibile generalizzare a priori una legge se essa non viene sperimentalmente verificata. L'esperienza di Wu, Lee e Yang scosse profondamente alcune credenze esaltate prima di allora come verità assolute. Quando venne a sapere l'esito di questa esperienza, Wolfgang Pauli commentò: « Non conosco nessuna risposta ragionevole del perchè Iddio debba essere talvolta mancino, mentre si dimostra ambidestro quando si esprime fortemente ».
Per quanto riguarda inoltre la simmetria T, tutte le leggi della natura, e quindi tutti i fenomeni da essa regolati, sono invarianti rispetto alle due direzioni della freccia del tempo, a parte un esperimento effettuato da J. Christensen sui mesoni K0, cosicché se una sequenza di eventi rappresenta un processo fisicamente possibile, è altresì possibile la stessa sequenza considerata nell'ordine cronologico inverso.
Per molto tempo invece la simmetria CP, ottenuta combinando la simmetria C e la simmetria P, è stata considerata una simmetria esatta della natura, ma la sua violazione in forma indiretta è stata riscontrata nei processi che coinvolgono il kaone neutro in esperimenti condotti nel 1964 presso Brookhaven National Laboratory, che hanno fruttato il premio Nobel del 1980 per la fisica a James Cronin (1931-2016) e Val Fitch (1923-2015). Essi scoprirono infatti che i mesoni K0, che sarebbero dovuti decadere solo in tre pioni, potevano eccezionalmente decadere in due pioni, violando indirettamente la simmetria CP. Una seconda manifestazione della violazione della simmetria CP, sempre riguardante i kaoni ma stavolta in forma diretta, è stata annunciata nel 2001 da esperimenti svolti presso il CERN di Ginevra e il Fermilab negli USA: in altri due modi di decadimento dei K0, uno lo "specchio CP" dell’altro, vi sono un elettrone o un positrone tra i prodotti finali. Se CP fosse una simmetria rigorosamente valida, il K0 dovrebbe decadere con eguale probabilità nei due modi: invece se i decadimenti con elettroni finali sono 1.000, quelli con positroni saranno 1.006. Questa scoperta ha provato che la violazione di CP è un fenomeno universale nei processi dovuti alle interazioni deboli: la Natura sa distinguere tra materia e antimateria. Nel 2002 la violazione CP è stata ulteriormente dimostrata dagli esperimenti BaBaR, condotto da una collaborazione internazionale di varie centinaia di scienziati presso lo SLAC di Stanford, in California, e Belle, a Tsukuba in Giappone. Si può dimostrare che, se la simmetria CP fosse esattamente valida, il tasso di decadimento del cosiddetto mesone B e della sua antiparticella sarebbero identici in ogni stato finale, mentre i suddetti esperimenti hanno dimostrato che non è così, e questo è ancora un problema irrisolto della Fisica delle Particelle.
E se combinassimo tutte e tre le simmetrie C, P, T? In questo caso nel 1954 il tedesco Gerhart Lüders (1920-1995) e l'italiano Bruno Zumino (1923-2014) dimostrarono che vale il cosiddetto Teorema CPT, il quale afferma che qualsiasi fenomeno è invariante rispetto alle tre operazioni C, P, T applicate successivamente in qualsiasi ordine. In altre parole, applicando ad un processo fisico reale l'operazione composta CPT si deve sempre ottenere un processo non vietato da alcuna legge della natura. Nel 2002 Oscar Greenberg (1932-) dimostrò che la violazione della simmetria CPT implicherebbe la rottura della simmetria di Lorentz, per la quale le leggi fisiche sono indipendenti dall'orientamento e dalla velocità di traslazione del sistema di riferimento utilizzato, e in particolare invarianti per le trasformazioni di Lorentz (che sono alla base della Relatività Ristretta). Anche se non vi sono prove della violazione dell'invarianza di Lorentz, diverse ricerche sperimentali di tali violazioni sono state eseguite nel corso degli ultimi anni, in particolare per valutare la violazione di simmetria della carica per evidenze in cui l'antineutrino sembrerebbe avere una massa diversa dal neutrino, come hanno spiegato V.A. Kostelecky e N. Russell dell'Indiana University nell'articolo « Data Tables for Lorentz and CPT Violation » del 2008. Siccome però della simmetria CPT finora non è mai stata messa in evidenza alcuna violazione, il Teorema CPT a tutt'oggi resta valido, e la simmetria CPT risulta una delle simmetrie fondamentali della Natura.
Chien Shiung Wu con Wolfgang Pauli
La violazione della simmetria CP è probabilmente in grado di spiegare anche l'evidente asimmetria tra materia e antimateria che si osserva nel cosmo. Infatti tutto ciò che ci circonda è fatto particelle e non di antiparticelle, che si manifestano solo in processi fisici ad altissime energie, per scomparire in tempi brevissimi, per annichilazione con le rispettive particelle. Invece, secondo la teoria del Big Bang, particelle e antiparticelle furono create in parti uguali all’inizio dell’universo. Ma allora, dov’è finita tutta l’antimateria? Il mistero, che ha resistito per decenni a qualunque tentativo di spiegazione, potrebbe essere vicino ad essere risolto, grazie ai risultati dell’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, la cui analisi è stata condotta nel 2019 dal gruppo di Bologna dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Infatti l'esperimento ha mostrato per la prima volta che le particelle contenenti un quark charm, si comportano in modo leggermente diverso dalle loro rispettive antiparticelle quando decadono. Questa differenza si manifesta in particolare nelle particelle chiamate mesoni D0 con la violazione della simmetria CP: un risultato di grande rilievo considerando che si tratta di un fenomeno finora mai osservato in particelle contenti quark con carica + 2/3, anche se previsto dal Modello Standard. L’entità della violazione, sottolineano con cautela i ricercatori, è ancora insufficiente per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria che si osserva in natura, ma il risultato conferma che si è sulla buona strada per cercare nuovi processi di violazione di CP nelle particelle contenenti quark c e per comprendere gli effetti della violazione di CP anche per altri tipi di quark.
Avendo citato il caso di Chien Shiung Wu, voglio cogliere l'occasione per spiegare ai miei lettori che cos'è l'effetto Matilda. Questo termine fu coniato nel 1993 dalla storica della scienza Margaret W. Rossiter (1944-) per descrivere la natura sessista del mancato riconoscimento delle donne nella ricerca scientifica e l’attribuzione sistematica del merito dei loro risultati ai colleghi uomini. Il termine deriva dal nome di Matilda Joslyn Gage (1826-1898), scrittrice e attivista americana che nel 1870 pubblicò il saggio "Woman As Inventor", in cui contestava il luogo comuneche le donne non avessero « alcun genio inventivo o meccanico », ed anzi rivelava come diverse scoperte scientifiche ed invenzioni fossero il risultato del lavoro di donne rimaste nell’anonimato. Nel corso dei secoli, il cosiddetto "effetto Matilda" ha avuto come conseguenza la vera e propria rimozione delle scienziate dalla storia, e questa "invisibilità" ha fatto passare l’idea ancora oggi molto radicata che la scienza sia una "cosa da uomini". Secondo la Gage, insomma, la storia era stata distorta, ed era essenziale per la causa dei diritti delle donne rimettere a posto le cose. A causa di una società che limitava ai maschi la proprietà dei brevetti, della limitata mobilità sociale e della mancata indipendenza economica che impediva alle donne di raccogliere i risultati e i meriti del loro lavoro, o di esercitare i loro poteri inventivi, queste ultime erano state scippate del merito di invenzioni importantissime, tra le quali ella elencava l’acquario, ad opera della biologa marina francese Jeanne Villepreux-Power (1794-1871); il telescopio subacqueo, della statunitense Sarah Mather (1796-1868); e la sgranatrice di cotone che serviva per separare le fibre della pianta di cotone dal resto, il cui merito dell’invenzione viene ancora oggi attribuito solamente allo statunitense Eli Whitney (1765-1825), nonostante l’idea di utilizzare un dispositivo simile a una spazzola fosse venuta per prima a Catharine Littlefield Greene (1755-1814). A raccogliere il testimone di Matilda Joslyn Gage fu la Rossiter, che denunciò a gran voce il pregiudizio contro il riconoscimento dei contributi delle donne alla ricerca scientifica e l’attribuzione sistematica dei risultati delle loro scoperte a un collega uomo. La Rossiter introdusse addirittura il concetto di "segregazione gerarchica", l’assenza cioè di donne in ruoli di potere e responsabilità, e individuò un comportamento costante nel sistema di valutazione e di riconoscimento dei risultati e dei lavori scritti dalle scienziate: le citazioni, in campo scientifico, sono un indice di riconoscimento, e il numero di citazioni ricevute da lavori realizzati da scienziate era assai minore rispetto a quello di analoghi lavori realizzati da colleghi uomini. Che il sesso influisca sulla diffusione del lavoro di ricerca lo hanno dimostrato anche Silvia Knobloch-Westerwick della Technische Universität Berlin e Carroll J. Glynn della Ohio State University, le quali hanno preso in esame le citazioni di 1020 articoli pubblicati tra il 1991 e il 2005, verificando che gli articoli scritti da uomini ricevono in media il doppio delle citazioni di quelli scritti da donne. Anche Rossiter ha elencato innumerevoli esempi di effetto Matilda. Il più antico è forse quello di Trotula de Ruggiero (1050-1097), medica salernitana autrice di opere che nelle trascrizioni successive alla sua morte vennero attribuite a un uomo, il solo che, nella mentalità dell'epoca, poteva aver scritto opere così brillanti. La matematica britannica Ada Lovelace (1815-1852), figlia del famoso poeta Lord Byron, fu tra i precursori dell'informatica e diede contributi fondamentali alla costruzione della cosiddetta macchina analitica, considerata il primo calcolatore programmabile della storia dell'uomo, ma per la sua ideazione viene sempre ricordato il solo Charles Babbage. La genetista Nettie Stevens (1861-1912) dimostrò che il sesso di un organismo è determinato dai suoi cromosomi, partendo dall'osservazione dei moscerini della frutta; tale scoperta permise a Thomas Hunt Morgan di ottenere nel 1933 il premio Nobel, ma il lavoro della scienziata non ottenne mai il riconoscimento che le sarebbe stato dovuto. Alice Augusta Ball (1892-1916) scoprì il più efficace trattamento disponibile contro la lebbra fino agli anni quaranta del Novecento, ma morì prima di poterlo mettere a punto; il chimico e presidente dell'Università nella quale la Ball conduceva la ricerca pubblicò il risultato a suo nome, e il procedimento fu chiamato "metodo Dean" (per fortuna nel 1922 Harry T. Hollmann, dottore con il quale la Ball lavorò in ambito della sua ricerca, denunciò l'ingiustizia e lo rinominò "metodo Ball"). Mileva Marić (1875-1948), prima moglie di Albert Einstein, fu la prima ragazza ad aver studiato al Liceo di Zagabria e la quinta donna iscritta al Politecnico Federale di Zurigo, ma rinunciò ad una brillante carriera accademica per occuparsi dei suoi figli; essendo una brillante matematica, a differenza del marito, collaborò in maniera decisiva alla stesura dei suoi lavori sulla Teoria della Relatività, ma questi meriti non le furono riconosciuti da nessuno, ed anzi Einstein la lasciò per sposare sua cugina Elsa. L'inglese Rosalind Franklin (1920-1958) condusse un lavoro di ricerca sulle immagini di diffrazione a raggi X del DNA che portò alla scoperta della doppia elica del DNA, ma morì prematuramente, e furono James Dewey Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ad attribuirsene il merito, e vinsero per questo il premio Nobel nel 1962. La tedesca Lise Meitner (1878-1968) giunse per prima alla scoperta della fissione nucleare, ma nel 1945 il solo Otto Hahn vinse il premio Nobel per quella scoperta, malgrado la Meitner avesse lavorato trent'anni col chimico tedesco e gli avesse permesso di raggiungere quel risultato anche col suo lavoro. L'austriaca Marietta Blau (1894-1970) con le sue ricerche nel campo dei raggi cosmici permise significativi passi avanti nella ricerca in questo campo, ma Cecil Frank Powell ottenne il premio Nobel per la fisica nel 1950 per lo sviluppo del metodo fotografico nello studio dei processi nucleari. Infine, la britannica Jocelyn Bell (1943-) scoprì la prima pulsar, ma solo il suo relatore di tesi Antony Hewish vinse, per questa scoperta, il premio Nobel per la fisica nel 1974, anche se lei ha ottenuto comunque altri importantissimi riconoscimenti. E la lista potrebbe essere lunghissima. Che aggiungere? W le scienziate, nella speranza che da oggi in poi il loro lavoro sia riconosciuto come merita!
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