BaBar è stato un rivelatore di particelle a tecnologia multistrato. Nella zona di interazione, posta nel centro del rivelatore, elettroni da 9 GeV entravano in collisione con antielettroni (positroni) da 3,1 GeV per produrre un'energia di collisione del centro di massa di 10,58 GeV.
Per rilevare le particelle prodotte dall'interazione, per lo più coppie di mesoni B0 e anti-B0 piuttosto che coppie di mesoni B+ e B-, esistevano una serie di sottosistemi disposti cilindricamente attorno alla regione centrale che era occupata dall'inseguitore di vertice al silicio (SVT) lo strumento oggetto di questa scheda. L'SVT è composto da 5 strati di strisce di silicio a doppia faccia in grado di registrare tracce di particelle cariche anche molto vicine alla regione di interazione all'interno di BaBar.
Più all'esterno rispetto a SVT vi era una Camera di deriva (DCH) composta da 40 strati di fili immersi in uno specifico gas che rilevavano le tracce delle particelle cariche che erano in grado di allontanarsi dal punto centrale fornendo una misurazione della loro quantità di moto.
Vi era poi un rilevatore di luce Cherenkov (DIRC) composto da 144 barre di silice fusa e un calorimetro elettromagnetico (EMC) realizzato con 6580 cristalli scintillatori in Ioduro di Cesio usato per identificare elettroni e antielettroni.
Nella parte più esterna di BaBar era collocato l'enorme magnete, in grado di produrre un campo di 1,5 T all'interno del rivelatore, che veniva usato per piegare le tracce delle particelle cariche consentendone la deduzione della quantità di moto.
In fisica delle particelle, una B-Factory o "beauty factory" è un particolare acceleratore di particelle usato per produrre mesoni B, ovvero mesoni che contengono il quark bottom (chiamato talvolta quark beauty, da cui il nome dato all'acceleratore). In queste macchine fasci di elettroni e positroni (che sono le antiparticelle degli elettroni cioè elettroni con carica positiva) vengono fatti circolare in direzioni opposte in un anello circolare e vengono fatti collidere ad un'energia del centro di massa pari alla massa del mesone upsilon (Y). Questo mesone, che è formato da un quark bottom e dalla sua antiparticella, è altamente instabile e decade istantaneamente producendo coppie di mesoni B0 e anti-B0 o coppie di mesoni B+ e B-.
Tra i principali esperimenti che hanno operato nelle B-Factory vi sono BaBar, allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) della Stanford University in California, e Belle, al KEK in Giappone.
BaBar, in particolare, è stato dedicato allo studio delle differenze esistenti tra materia e antimateria per comprendere se tali differenze potessero spiegare perché l'universo è costituito essenzialmente di materia con, virtualmente, una totale assenza di antimateria. BaBar ha inoltre permesso di cercare altre particelle fondamentali oltre a quelle già note.
Allo SLAC la produzione di mesoni da dare in pasto a BaBar avveniva grazie all'anello di stoccaggio PEP-II che lavorava in combinazione con l'acceleratore lineare Linac.
Il Linac, in particolare, veniva usato per dare la prima accelerazione agli elettroni e ai positroni (le particelle di partenza scelte dai fisici) che venivano poi iniettati nell'anello di accumulo PEP-II. Come il LEP del CERN, il PEP-II è costruito in modo tale che gli elettroni ruotino ripetutamente all'interno della camera a vuoto circolare che ha una circonferenza di 2,2 chilometri mentre i positroni fanno lo stesso ma nella direzione opposta. Quando un positrone incontra un elettrone, ci sono buone probabilità che, essendo materia e antimateria, si annichilino e rilascino il loro contenuto energetico. Dopo un brevissimo periodo di tempo, circa un milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo, l'energia formerà due nuove particelle, spesso una coppia di quark bottom o charm. Sono le particelle contenenti questi quark che il rivelatore BaBar registra quindi per l'analisi.
L'esperimento BaBar, una collaborazione internazionale di oltre 500 fisici e ingegneri provenienti da dieci paesi e da oltre 75 laboratori di ricerca e università in tutto il mondo, ha studiato il mondo subatomico a energie di circa dieci volte la massa a riposo di un protone (~10 GeV). Il suo scopo principale è stato quello di indagare la disparità esistente nell'Universo tra materia e antimateria misurando il fenomeno noto come violazione della simmetria CP nel sistema del bosone B. Quest'ultima è una combinazione di simmetria di coniugazione di carica (simmetria C) e simmetria di parità (simmetria P).
Se la simmetria CP fosse valida, il tasso di decadimento dei mesoni B e delle loro antiparticelle dovrebbe essere uguale. L'analisi delle particelle secondarie prodotte nel rivelatore BaBar ha mostrato però che non è così: nell'estate del 2002 sono stati pubblicati i risultati definitivi sulla base dell'analisi di 87 milioni di decadimenti di mesoni B e anti-B che hanno mostrato chiaramente tassi di decadimento diversi. Risultati coerenti a questi sono stati trovati dall'esperimento equivalente Belle installato presso il laboratorio KEK in Giappone.
Il nome dell'esperimento deriva dalla nomenclatura del mesone B e della sua antiparticella detta B barrato (da cui B-Bbar ovvero BaBar).
Per vedere l'asimmetria si deve misurare per quanto tempo è vissuto il mesone B prima di decadere. Poiché queste particelle decadono molto rapidamente - dopo circa un milionesimo di un milionesimo di secondo, l'unico modo per misurare la durata della vita di un mesone B è misurarne la velocità e la distanza percorsa. Il problema con la prima generazione di fabbriche B era che i mesoni B venivano prodotti quasi a riposo, quindi non volavano per una distanza misurabile prima di decadere.
Per ciascuna delle particelle elementari conosciute in natura esiste una corrispondente antiparticella ovvero una particella che ha la sua stessa identica massa ma alcune altre caratteristiche opposte (come ad esempio la carica elettrica). L'antiparticella di un elettrone è il positrone, l'antiparticella di un quark è un antiquark e così via. Le antiparticelle sono i costituenti fondamentali dell'antimateria.
Fino a qualche anno fa si pensava che le leggi della fisica che descrivono il comportamento delle particelle fossero esattamente le stesse per particelle e antiparticelle. Tuttavia nel 1964 un esperimento condotto da Cronin e Fitch fece la scoperta che materia e antimateria si comportano diversamente. Questa differenza, chiamata "violazione CP", è necessaria per la nostra stessa esistenza. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, infatti, esse si annientano a vicenda in un fragoroso lampo di luce. Subito dopo il Big Bang, per un tempo relativamente breve, il numero di particelle e antiparticelle presenti nell'universo era uguale dato che non c'era nessuna ragione perché si formassero preferenzialmente le une piuttosto che le altre.
Nel corso del tempo, mentre l'Universo si espandeva e si raffreddava, la maggior parte delle particelle si è annichilita con le relative antiparticelle ma alla fine è rimasta una piccola quantità di materia che è andata a comporre tutto ciò di cui siamo fatti noi e la materia ordinaria che compone pianeti, stelle e galassie. Perché questo è accaduto? Perché c'è stato un eccesso di materia rispetto all'antimateria? Perché è sorta questa anomalia chiamata dai fisici "violazione della simmetria CP" (C indica lo scambio particella-antiparticella mentre P l'inversione delle coordinate spaziali)?
I fisici giapponesi Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa svilupparono negli anni Settanta una teoria in grado di spiegare l'esistenza di questa asimmetria fra materia e antimateria prevedendo allo stesso tempo l'esistenza di una nuova, terza, generazione di particelle fondamentali.
La conferma sperimentale arrivò grazie proprio all'esperimento BaBar svolto allo SLAC negli Stati Uniti, e all'esperimento Belle compiuto al KEK in Giappone.
Kobayashi e Maskawa svilupparono la loro teoria considerando il modo in cui la violazione di CP si verifica nei decadimenti dei quark. Il nucleo di un atomo di materia ordinaria è formato da protoni e neutroni, che a loro volta sono costituiti da due tipi di quark, il cosiddetto "up" (u) e il "down" (d). Particelle più esotiche la cui vita è di brevissima durata sono invece formate da altri due quark lo "strange" (s) e lo "charme" (c).
Poiché era molto difficile costruire una spiegazione plausibile della violazione di CP osservata nei decadimenti dei quark lavorando solo con queste due generazioni di quattro quark i due fisici giapponesi ipotizzarono nel 1972 l'esistenza di una terza generazione di quark, che quindi passavano da quattro a sei, chiamati "top" (t) e "bottom" (b). Questi nuovi quark sono stati effettivamente scoperti sperimentalmente, il b nel 1977 e il t nel 1995.
Per la loro teoria della violazione di CP nei decadimenti dei quark, a Kobayashi e Maskawa è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica nel 2008.
