Nel mondo microscopico, avvengono processi che violano l'invarianza per inversione temporale. Lo ha dimostrato una misurazione diretta sul decadimento dei mesoni B condotta presso l'esperimento BaBar, i cui risultati implicano che anche nel mondo dei quanti lo scorrere del tempo è unidirezionale, ovvero segue la cosiddetta freccia del tempo, come avviene nei sistemi macroscopici (red)
Immaginate di poter filmare un processo fisico e poi di vederlo a ritroso, "riavvolgendo il nastro". Ciò che appare è un sistema con il tempo che scorre all'indietro, dal futuro verso il passato. Ma quelli che osserviamo sono processi che si verificano effettivamente in natura? E' questa la domanda che si pongono i fisici quando verificano che cosa succede con la cosiddetta trasformazione d'inversione temporale.
Per alcuni sistemi - tipicamente un urto tra biglie elastiche o altri processi della meccanica classica – non sembra esserci alcun problema: quello che si vede è perfettamente plausibile ed è regolato dalle stesse leggi fisiche precedenti. Si dice allora che il sistema è simmetrico o invariante rispetto all'inversione dell'asse temporale (spesso abbreviata con "T").
Però, se si osserva un cubetto di ghiaccio che si scioglie in una bibita bisogna ammettere che avviene qualcosa di diverso: non è plausibile che certi punti della bevanda cedano calore al resto del liquido e si raffreddino fino a formare ghiaccio in modo spontaneo. La termodinamica è infatti uno dei contesti in cui la realtà sembra avere una ben definita "freccia del tempo": il passato e il futuro sono chiaramente definiti e non si possono scambiare.
Che cosa si può dire invece del mondo microscopico? Urti e decadimenti delle particelle elementari sono "invarianti per T"? Per molti dei processi osservati la risposta può tranquillamente essere "sì". Ma non per tutti. Nuovi risultati dell'esperimento BaBar sul decadimento dei mesoni beta, presso lo SLAC della Stanford University, mostrano che il processo ha anch'esso una ben definita "freccia del tempo", ovvero: non è invariante per l'applicazione della trasformazione T. Come si legge nell'
articolo pubblicato sulle “Physical Review Letters”, la violazione della simmetria è inequivocabile: la sua misurazione è statisticamente significativa ed è coerente con le osservazioni indirette. Inoltre è diretta, non viene cioè dedotta da misurazioni che riguardano altri tipi di simmetrie.
Questo risultato è l'ultimo di una lunga serie. La questione della violazione delle simmetrie infatti è di fondamentale importanza in fisica, perché intrinsecamente legata alle leggi di conservazione di alcune grandezze, come dimostrato dai famosi teoremi di Emmy Noether nel 1915. Oltre all'inversione temporale, le simmetrie fondamentali sono l'inversione di parità ("P", corrispondente a invertire l'orientazione degli assi spaziali, o vedere il sistema che si studia riflesso in uno specchio) e l'inversione di carica, "C", che commuta tutte le particelle del sistema nelle loro antiparticelle.
Nella seconda metà del Novecento, una parte importante della ricerca in fisica delle particelle ha riguardato la verifica di queste leggi di simmetria per le diverse forze fondamentali. È ben noto per esempio che le interazioni forti e quella elettromagnetica rimangono invariate quando osservate allo specchio, e quindi sono invarianti rispetto all'inversione di parità. La stessa cosa non vale però per le interazioni deboli, per le quali nel 1956 è stata dimostrata la violazione della P. In alcuni casi, il mondo delle particelle non rispetta neppure la combinazione di due inversioni: solo dieci anni dopo, una ricerca ha dimostrato che in alcuni decadimenti dei mesoni K, le interazioni elettrodeboli violano la simmetria di CP, che combina la parità e la coniugazione di carica (tutte le particelle sono commutate in antiparticelle e il sistema è visto allo specchio). Andando ancora oltre, si arriva alla trasformazione CPT, che coniuga la CP con l'inversione temporale T. In questo caso la natura appare più rispettosa: la simmetria rispetto alle tre inversioni insieme è ritenuta una caratteristica intrinseca della realtà, e quindi inviolabile.
Questa nozione è il contenuto del teorema CPT, che viene in aiuto quando si vuole verificare l'invarianza per inversione temporale, in cui la misurazione diretta è estremamente difficoltosa, perché richiede un esperimento con il tempo che scorre a ritroso e con lo stato iniziale scambiato con quello finale. Il ragionamento è il seguente: poiché la simmetria CPT è inviolabile, la violazione di CP implica una concomitante violazione di T che la compensi. Proprio questo approccio è stato seguito nell'esperimento CPLEAR presso il CERN di Ginevra, il primo che ha permesso di evidenziare una violazione di T nel decadimento dei kaoni neutri. Il risultato è stato però criticato proprio per l'impossibilità di distinguere la violazione di T rispetto alla violazione di CP.
La collaborazione BaBar, superando le difficoltà sperimentali e concettuali di una simile operazione, ha ora osservato un'esplicita violazione di T nel decadimento dei mesoni B. L'esperimento, condotto presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in California, ha permesso di rilevare, tra miliardi di collisioni di particelle, alcuni decadimenti che avvengono preferibilmente in una delle due modalità permesse. Secondo quanto riferito nell'articolo di resoconto, il livello di accuratezza è estremamente elevato.
“È stato eccitante progettare un'analisi sperimentale per osservare, in modo diretto e senza ambiguità, la natura asimmetrica del tempo”, ha spiegato Fernando Martínez-Vidal, professore associato dell'Università di Valencia, che ha coordinato lo studio.
Pur essendo in qualche modo attesa, la violazione di T che è stata dimostrata non mancherà di avere profonde implicazioni per i fondamenti concettuali della fisica. Se infatti la "freccia del tempo" individuabile con gli effetti termodinamici è da ricondurre a effetti collettivi, in cui sono implicate un gran numero di particelle ed è quindi un concetto statistico, quella che riguarda una singola particella colloca lo scorrere "unidirezionale" del tempo in una dimensione ancora più fondamentale, alla fonte stessa – per così dire – della realtà fisica.
http://www.lescienze.it/news/2012/11/23/news/esperimento_babar_violazione_simmetria_inversione_temporale-1381012/
