Pesquisa inicial

Após receber seu doutorado, Steinberger frequentou o Institute for Advanced Study em Princeton por um ano. Em 1949, publicou um cálculo da vida útil do píon neutro,^[1] que antecipou o estudo de anomalias na teoria quântica de campos.^[2]

Após Princeton, em 1949, Steinberger foi para o Radiation Lab da Universidade da Califórnia em Berkeley, onde realizou um experimento que demonstrou a produção de píons neutros e seu decaimento em pares de fótons. Este experimento utilizou o síncrotron de 330 MeV e os contadores de cintilação recém-inventados. Apesar desta e de outras realizações, foi solicitado a deixar o Radiation Lab em Berkeley em 1950, devido à sua recusa em assinar o chamado juramento anticomunista.^[3]

Steinberger aceitou um cargo de professor na Universidade Columbia em 1950. O feixe de mésons recentemente comissionado no Nevis Labs forneceu a ferramenta para vários experimentos importantes. Medições da seção de choque de produção de píons em vários alvos nucleares mostraram que o píon tem paridade ímpar.^[4] Uma medição direta da produção de píons em um alvo de hidrogênio líquido, então uma ferramenta incomum, forneceu os dados necessários para mostrar que o píon tem spin zero. O mesmo alvo foi usado para observar o decaimento relativamente raro de píons neutros em um fóton, um elétron e um pósitron. Um experimento relacionado mediu a diferença de massa entre os píons carregados e neutros com base na correlação angular entre os píons neutros produzidos quando o píon negativo é capturado pelo próton no núcleo de hidrogênio.^[5] Outros experimentos importantes estudaram a correlação angular entre pares elétron-pósitron em decaimentos de píon neutro e estabeleceram o decaimento raro de um píon carregado em um elétron e neutrino; este último exigiu o uso de uma câmara de bolhas de hidrogênio líquido.^[6]

Investigações de partículas estranhas

Durante 1954-1955, Steinberger contribuiu para o desenvolvimento da câmara de bolhas com a construção de um dispositivo de 15 cm para uso com o Cosmotron no Laboratório Nacional de Brookhaven. O experimento usou um feixe de píons para produzir pares de hádrons com quarks estranhos para elucidar as propriedades enigmáticas de produção e decaimento dessas partículas.^[7] Em 1956, ele usou uma câmara de 30 cm equipada com três câmeras para descobrir o híperon Sigma neutro e medir sua massa.^[8] Esta observação foi importante para confirmar a existência da simetria de sabor SU(3) que hipotetiza a existência do quark estranho.^[9]

Uma característica importante da interação fraca é sua violação da simetria de paridade. Esta característica foi estabelecida através da medição dos spins e paridades de muitos híperons. Steinberger e seus colaboradores contribuíram com várias dessas medições usando grandes câmaras de bolhas de hidrogênio líquido (75 cm) e feixes de hádrons separados em Brookhaven.^[10] Um exemplo é a medição da distribuição de massa invariante de pares elétron-pósitron produzidos no decaimento de híperons Sigma-zero em híperons Lambda-zero.^[11]

Neutrinos e a corrente neutra fraca

Na década de 1960, a ênfase no estudo da interação fraca mudou de partículas estranhas para neutrinos. Leon Lederman, Steinberger e Schwartz construíram grandes câmaras de faísca no Nevis Labs e as expuseram em 1961 a neutrinos produzidos em associação com múons nos decaimentos de píons e cáons carregados. Eles usaram o Síncrotron de Gradiente Alternado (AGS) em Brookhaven e obtiveram vários eventos convincentes nos quais múons foram produzidos, mas nenhum elétron.^[12] Este resultado, pelo qual receberam o Prêmio Nobel em 1988, provou a existência de um tipo de neutrino associado ao múon, distinto do neutrino produzido no decaimento beta.^[13]

Estudo da violação de CP

A violação de CP (conjugação de carga e paridade) foi estabelecida no sistema de cáon neutro em 1964. Steinberger reconheceu que o parâmetro fenomenológico épsilon (ε) que quantifica o grau de violação de CP poderia ser medido em fenômenos de interferência (Ver violação de CP). Em colaboração com Carlo Rubbia, ele realizou um experimento durante um ano sabático no CERN em 1965 que demonstrou robustamente o efeito de interferência esperado e também mediu precisamente a diferença de massa das massas do cáon neutro de vida curta e de vida longa.^[14][15]

De volta aos Estados Unidos, Steinberger conduziu um experimento em Brookhaven para observar a violação de CP nos decaimentos semileptônicos de cáons neutros. A assimetria de carga relaciona-se diretamente ao parâmetro épsilon, que foi assim medido com precisão.^[16] Este experimento também permitiu a dedução da fase de épsilon e confirmou que CPT é uma boa simetria da natureza.^[17]

CERN

Em 1968, Steinberger deixou a Universidade Columbia e aceitou um cargo como diretor de departamento no CERN.^[18] Ele construiu um experimento lá utilizando câmaras proporcionais multifios (MWPC), inventadas recentemente por Georges Charpak.^[19] As MWPCs, aumentadas por amplificadores microeletrônicos, permitiram que amostras muito maiores de eventos fossem registradas. Vários resultados para cáons neutros foram obtidos e publicados no início da década de 1970, incluindo a observação do decaimento raro do cáon neutro em um par de múons, a dependência temporal da assimetria para decaimentos semileptônicos e uma medição mais precisa da diferença de massa do cáon neutro. Uma nova era na técnica experimental foi aberta.^[20]

Essas novas técnicas provaram ser cruciais para a primeira demonstração da violação de CP direta. O experimento NA31 no CERN foi construído no início da década de 1980 usando o Síncrotron de Prótons SPS de 400 GeV do CERN. Além de bancos de MWPCs e um calorímetro de hádrons, ele apresentava um calorímetro eletromagnético de argônio líquido com resolução espacial e de energia excepcional. O NA31 mostrou que a violação de CP direta é real.^[21]

Steinberger trabalhou no experimento ALEPH no Grande Colisor Elétron-Pósitron (LEP), onde atuou como porta-voz do experimento.^[22] Entre as realizações iniciais do experimento ALEPH estava a medição precisa do número de famílias de léptons e quarks no Modelo Padrão através da medição dos decaimentos do bóson Z.^[23]

Ele se aposentou do CERN em 1986 e tornou-se professor na Scuola Normale Superiore di Pisa na Itália. Ele continuou sua associação com o laboratório do CERN através de suas visitas até seus 90 anos.^[24]

Prêmio Nobel

Steinberger recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1988, "pelo método do feixe de neutrinos e pela demonstração da estrutura de dupletos dos léptons através da descoberta do neutrino do múon".^[25] Ele dividiu o prêmio com Leon M. Lederman e Melvin Schwartz; na época da pesquisa, todos os três experimentadores estavam na Universidade Columbia.^[26]

O experimento usou feixes de píons carregados gerados com o Síncrotron de Gradiente Alternado no Laboratório Nacional de Brookhaven. Os píons decaíam em múons que eram detectados na frente de uma parede de aço; os neutrinos eram detectados em câmaras de faísca instaladas atrás da parede. A coincidência de múons e neutrinos demonstrou que um segundo tipo de neutrino foi criado em associação com múons. Experimentos subsequentes provaram que este neutrino era distinto do primeiro tipo (tipo elétron). Steinberger, Lederman e Schwartz publicaram seu trabalho no Physical Review Letters em 1962.^[12]

Ele doou sua medalha do Nobel para a New Trier High School em Winnetka, Illinois (EUA), da qual foi ex-aluno.^[27]

Ele também recebeu a National Medal of Science em 1988, do então presidente dos EUA, Ronald Reagan e foi agraciado com a Medaglia Matteucci em 1990, pela Academia Italiana de Ciências.^[28]