Referenti: G. Bisogni, M. La Cognata

Gli esperimenti di questa linea di ricerca studiano le proprietà fondamentali della materia e dell’antimateria tramite misure di precisione del modello standard. In essa sono compresi gli esperimenti sulla misura del raggio del protone (FAMU), sulla ricerca del Momento di Dipolo Elettrico dei nuclei leggeri (JEDI), sull’antimateria a bassa energia (LEA), e sulla possibile violazione del principio di Pauli (VIP).

FAMU si propone di studiare la struttura elettromagnetica del protone. Tramite la misura dello split iperfino dello stato fondamentale dell'atomo di idrogeno muonico sarà possibile determinare il raggio di Zemach del protone. Questo studio di precisione permetterà di testare i calcoli di QED e aiuterà a risolvere le ambiguità che sono emerse negli ultimi anni e che riguardano simili misure spettroscopiche ottenute con elettroni e muoni. L'apparato sperimentale consiste in un target gassoso, contenuto in un sistema criogenico e pressurizzato, posizionato su una linea di fascio di muoni presso il Rutherford Appleton Laboratory in UK. Un potente laser nel medio-infrarosso accoppiato ad una cavità ottica è in grado di eccitare la transizione iperfine quando la sua frequenza è in risonanza con quella del sistema protone-muone. Un sistema di rivelatori a raggi X permette di determinare quando avviene la transizione.

Foto dell'apparato sperimentale della sigla FAMU

L'esperimento JEDI è dedicato alla ricerca del Momento di Dipolo Elettrico (EDM) di nuclei leggeri come deutone, protone e ³He. L'esistenza di tale proprietà nelle particelle viola le simmetrie P e T e, conseguentemente, quella combinata di CP, che, secondo criteri molto generali, risulta necessaria per spiegare la dominanza della materia sull’antimateria nell’Universo. Mentre per il neutrone la ricerca dell'EDM e' molto avanzata, per i barioni carichi non esistono misure dirette. JEDI misura l'EDM del deutone come accumulazione della componente verticale della polarizzazione del fascio nell’anello COSY. Inoltre, la collaborazione sta disegnando un anello di accumulazione elettrostatico, che permetterà la misura di EDM dei nuclei leggeri con altissima precisione.

Principio di rivelazione alla base dell'esperimento JEDI

La collaborazione LEA (Low Energy Antimatter) racchiude diverse attività di ricerca nel campo dell'antimateria di bassa energia. L'obiettivo è di sondare i principi e le leggi fondamentali della Natura attraverso lo studio dell'antimateria e in particolare attraverso il confronto tra le caratteristiche della materia e quelle dell'antimateria. La sperimentazione all'Antiproton Decelerator del CERN permette di testare con alta precisione la simmetria CPT confrontando gli spettri dell'atomo di idrogeno con quello dell'anti-idrogeno e di verificare il Principio di Equivalenza Debole nell'interazione gravitazionale tra la Terra e l'anti-idrogeno. Queste attività in LEA sono realizzate dagli esperimenti AEgIS, ALPHA e ASACUSA. Gli altri esperimenti di LEA, PsICO e QUPLAS, utilizzano invece i positroni e gli atomi di positronio per testare le leggi fisiche fondamentali.

LEA: Annichilazione di un antiprotone con un nucleo di neon rivelato con una streamer chamber presso LEAR (CERN)

L'esperimento VIP (VIolation of the Pauli exclusion principle) è volto a testare il Principio di Esclusione di Pauli (PEP) e ad investigarne le eventuali implicazioni per la fisica, dovute ad una sua piccola violazione. Il PEP rappresenta infatti uno dei principali capisaldi della fisica moderna. Recentemente, l’esperimento ha rivolto la sua attenzione allo studio del problema della misura in meccanica quantistica, stabilendo un nuovo record nello studio del modello di collasso della funzione d'onda indotto dalla gravità, proposto da Lajos Diósi e Roger Penrose (link).

Foto dell'apparato sperimentale della sigla VIP