Se numește oscilație între un mezon D0 și antimezonul D0 – un efect de natură cuantică care a fost recent măsurat de experimentul LHCb la acceleratorul LHC la CERN. Că să aibă loc această oscilație trebuie să existe o diferență între masele celor două particule – aceasta este cea mai mică măsurată vreodată în fizică – doar 10 la puterea -38 grame!

La laboratorul CERN de la Geneva sunt studiate o serie de procese care au loc în lumea particulelor elementare, pentru a se înțelege mai bine legile naturii și eventual a descoperi noi procese și noi particule. Tocmai la CERN este instalat cel mai mare accelerator de particule din lume: LHC (Large Hadron Collider), care are o circumferință de circa 27 km, unde diverse experimente studiază lumea microscopică.

Printre aceste experimente se număra ATLAS și CMS – cele care au descoperit bosonul Higgs; dar și ALICE și LHCb. ALICE studiază procese care ar fi avut loc în Universul timpuriu – imediat după Big Bang, așa-numita plasmă de quarci și gluoni. LHCb este specializat în studiul diferenței dintre lumea materiei și a antimateriei; adică studiază comportamentul particulelor față de cel al antiparticulelor pentru a înțelege, printre altele, unde a dispărut antimateria din Univers, întrucât se crede că după Big Bang existau atât antiparticule cât și particule în cantitate egală.

Antimateria însă la ora actuală nu pare să mai existe în Universul nostru. Studiile de acest gen sunt complexe și dificile, întrucât au nevoie de detectoare de particule deosebit de sensibile – atât pentru particule cu sarcină electrică cât și cele neutre.

       Oscilația mezonilor D0

Unul dintre procesele studiate de LHCb este așa-numită oscilație a mezonilor D0 în antimezoni D0. Mezonii sunt familii de particule compuse dintr-un quark  și un antiquark; quarcii fiind particule elementare în cadrul Modelului Standard. Mezonul D0 este compus dintr-un quark charm și un antiquark up; există și antiparticula corespunzătoare, așa-numitul anti-mezon D0, care este compus dintr-un quark up și un antiquark charm.

Ambii mezoni sunt neutri din punct de vedere electric. Mezonii D0 fac parte din categoria mezonilor care oscilează: se pot transformă dintr-un mezon într-un antimezon. În natură practic există stări de masă, D1 și D2, una mai grea și altă mai lejera, la bază mezonilor D0 și anti-D0 (care sunt suprapuneri cuantice de D1 și D2) – existența acestora fiind la baza oscilației mezonilor D0! Tocmai mecanica cuantică este la bază acestei oscilații care face astfel încât mezonii D0 să se transforme în anti-mezoni D0 și înapoi.

         Ce a măsurat LHCb?

LHCb a măsurat mezoni D0 produși în urmă interacțiunii protonilor de la LHC; acești mezoni parcurg doar câțiva milimetri înainte să se dezintegreze în alte particule. Comparând între ele dezintegrări ale mezonilor la distante diverse față de locul unde au fost produși s-a putut studia modul în care aceștia oscilează – ceea ce depinde de diferență de masă dintre D1 și D2 (cele două stări de masă ale mezonilor D0). Au reușit să măsoare cu o precizie de 5 sigma această diferență de masă că fiind de circa 10 la puterea -38 de grame – cea mai mică diferență de masă măsurată până în prezent. Că și cum s-ar fi măsurat un bulgăre de zăpada față de întreaga masă a muntelui Everest (aceasta din urmă reprezentând masă mezonului D0).

     Studii în viitorul apropiat

Colaborarea LHCb intenționează în viitor să măsoare această diferență de masă cu o precizie din ce în ce mai mare, întrucât în acest fel ar putea observa diferențe între măsurătoare și ceea ce este prevăzut de Modelul Standard; aceste diferențe ar putea fi datorate existenței unor particule necunoscute în Modelul Standard, care ar putea accelera sau încetini oscilația mezonilor D0. Aceste noi particule ar putea reprezenta materia întunecată care este căutată în mod frenetic în multe experimente din lumea întreagă.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro