Presso il Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle più potente mai costruito, è stato condotto un esperimento senza precedenti per verificare se la particella elementare più pesante dell’universo, il quark top, obbedisce sempre alle leggi della relatività speciale di Albert Einstein. La risposta, basata su anni di dati e analisi, conferma che la simmetria di Lorentz – una delle pietre angolari della relatività – rimane intatta, almeno per ora.
La simmetria di Lorentz e il test con i quark top
Il principio della simmetria di Lorentz afferma che le leggi della fisica devono essere le stesse per tutti gli osservatori che non subiscono accelerazioni. In altre parole, il comportamento delle particelle non dovrebbe dipendere dall’orientamento dell’esperimento o dalla velocità relativa con cui viene condotto. Tuttavia, alcune teorie suggeriscono che a energie estremamente elevate questa simmetria potrebbe essere violata, mettendo in discussione le basi del modello standard della fisica delle particelle.
Per testare questa ipotesi, il team che lavora sul rivelatore Compact Muon Solenoid (CMS) ha analizzato le collisioni tra protoni accelerati a velocità prossime a quella della luce. In particolare, hanno osservato se il numero di quark top prodotti da tali eventi variava a seconda dell’ora del giorno, un effetto che indicherebbe una violazione della simmetria di Lorentz.
I quark top e il ruolo della rotazione terrestre
I quark, secondo il modello standard, sono le particelle fondamentali che compongono protoni e neutroni. Esistono sei tipi di quark, detti “sapori”: up, down, charm, strange, top e bottom. Il quark top è il più massiccio di tutti, con una massa comparabile a quella di un atomo d’oro (circa 173 giga-elettronvolt).
L’idea alla base dell’esperimento è che, se la simmetria di Lorentz fosse violata, il numero di quark top prodotti nelle collisioni dell’LHC potrebbe dipendere dall’orientamento dei fasci di protoni, che a loro volta cambiano direzione con la rotazione della Terra. Questo significa che, se esistesse una direzione preferita nello spazio-tempo, la produzione di queste particelle varierebbe nel corso della giornata.
I dati dell’LHC confermano Einstein
Analizzando i dati raccolti durante il Run 2 dell’LHC (2015-2018), i ricercatori non hanno trovato alcuna variazione significativa nel tasso di produzione dei quark top in relazione all’ora del giorno. Questo suggerisce che la simmetria di Lorentz non viene violata a queste energie e che i quark top rispettano pienamente la relatività speciale.
Il risultato rafforza ulteriormente la validità della teoria di Einstein, confermando che, almeno fino alle energie raggiungibili dall’LHC, non esistono anomalie che potrebbero mettere in discussione le fondamenta della fisica moderna. Tuttavia, con l’LHC in fase di aggiornamento, i futuri esperimenti del Run 3, in corso dal 2022, potrebbero fornire nuovi dati a energie ancora più elevate.
Il futuro della ricerca sulla simmetria di Lorentz
L’LHC continuerà a esplorare i limiti della fisica delle particelle nei prossimi anni. Gli scienziati della collaborazione CMS intendono ampliare la ricerca sulla possibile violazione della simmetria di Lorentz, concentrandosi non solo sui quark top, ma anche su altre particelle pesanti come il bosone di Higgs e i bosoni W e Z.
Se in futuro dovessero emergere anomalie, potremmo trovarci di fronte a una rivoluzione nella comprensione della struttura dell’universo. Per ora, però, Einstein ha ancora ragione.
