Perché esistiamo? Questa è probabilmente la domanda più profonda che ci sia e che possa sembrare completamente al di fuori della portata della fisica delle particelle. Un esperimento, però, effettuato al Large Hadron Collider del CERN ci ha fatto compiere un passo in avanti verso la risposta a questa domanda.
Per capire perché, torniamo indietro nel tempo di circa 13,8 miliardi di anni, torniamo al Big Bang. Questo evento produsse una quantità uguale della normale materia che consociamo e qualcosa abbiamo chiamato antimateria.
Si ritiene che ogni particella abbia un compagno di antimateria che è praticamente identico, ma con carica opposta. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annullano a vicenda – scomparendo in un’esplosione di energia, un evento detto annichilazione. Perché l’universo che vediamo oggi è interamente costituito dalla materia è uno dei più grandi misteri della fisica moderna. Se ci fosse stata una quantità uguale di antimateria, tutto nell’Universo sarebbe stato annientato.
La ricerca ha svelato una nuova fonte di questa asimmetria tra materia e antimateria.
L’antimateria fu postulata per la prima volta da Arthur Schuster nel 1896, dato un fondamento teorico da Paul Dirac nel 1928, e scoperto nel 1932 sotto forma di anti-elettroni, soprannominati positroni, da Carl Anderson. I positroni si generano in processi radioattivi naturali, come in il decadimento del Potassio-40.
Ciò significa, per capirci, che una banana media (che contiene potassio) emette un positrone ogni 75 minuti. Questi poi si annichilano con gli elettroni della materia producendo luce. Applicazioni mediche come gli scanner PET producono antimateria utilizzando lo stesso processo.
I componenti fondamentali della materia che costituiscono gli atomi sono particelle elementari chiamate quark e leptoni. Ci sono sei tipi di quark : su, giù, strano, fascino, inferiore e superiore. Allo stesso modo, ci sono sei leptoni : l’elettrone, il muone, il tau e i tre neutrini. Ci sono anche copie di antimateria di queste dodici particelle che differiscono solo per la loro carica.
Le particelle di antimateria dovrebbero in linea di principio essere immagini speculari perfette dei loro compagni normali. Ma gli esperimenti dimostrano che non è sempre così.
Prendiamo ad esempio le particelle conosciute come mesoni, che sono fatte di un quark e di un anti-quark. I mesoni neutrali hanno una caratteristica affascinante: possono trasformarsi spontaneamente nel loro anti-mesone e viceversa. In questo processo, il quark si trasforma in un anti-quark o l’anti-quark si trasforma in un quark. Ma gli esperimenti hanno dimostrato che questo può accadere più in una direzione rispetto a quella opposta, creando più materia rispetto all’antimateria nel tempo.
Tra le particelle che contengono i quark, solo i quark strani e inferiori mostrano tali asimmetrie – e queste sono state scoperte estremamente importanti.
La prima osservazione dell’asimmetria che coinvolge strane particelle nel 1964 ha permesso ai teorici di prevedere l’esistenza di sei tipi di quark – in un momento in cui ne erano noti solo tre. La scoperta dell’asimmetria nelle particelle inferiori nel 2001 è stata la conferma finale del meccanismo che ha portato all’immagine di sei quark. Entrambe le scoperte hanno portato al Premio Nobel.
Sia il quark strano che quello inferiore portano una carica elettrica negativa. L’unico quark con carica positiva che in teoria dovrebbe essere in grado di formare particelle che possono mostrare asimmetria materia-antimateria è fascino. La teoria suggerisce che, se così fosse, allora l’effetto dovrebbe essere piccolo e difficile da rilevare.
Ma l’esperimento LHCb è ora riuscito a osservare una simile asimmetria nelle particelle chiamate D-meson – che sono composti da quark fascino. Ciò è reso possibile dalla quantità senza precedenti di particelle di fascino prodotte direttamente nelle collisioni LHC, che ho sperimentato un decennio fa. Il risultato indica che la possibilità che questa sia una fluttuazione statistica è di circa 50 su un miliardo.
Se questa asimmetria non proviene dallo stesso meccanismo che causa le strane asimmetrie dei quark inferiori, lascia spazio a nuove fonti di asimmetria materia-antimateria che possono aggiungere al totale tale asimmetria nell’universo primordiale. E questo è importante in quanto i pochi casi noti di asimmetria non possono spiegare perché l’universo contenga così tanta materia.
La scoperta di fascino da sola non sarà sufficiente a colmare questa lacuna, ma è un pezzo di puzzle essenziale nella comprensione delle interazioni delle particelle fondamentali.
La scoperta sarà seguita da un numero maggiore di opere teoriche, che aiuteranno ad interpretare il risultato. Ma ancora più importante, delineerà ulteriori test per approfondire la comprensione dopo la nostra scoperta – con una serie di test già in corso. Nel corso del prossimo decennio, l’esperimento LHCb aggiornato aumenterà la sensibilità per questo tipo di misurazioni. Questo sarà completato dall’esperimento Belle II basato in Giappone , che sta appena iniziando a funzionare.
Queste sono eccitanti prospettive per la ricerca sull’asimmetria materia-antimateria.
L’antimateria è anche al centro di una serie di altri esperimenti. Anti-atomi vengono prodotti al deceleratore antiprotoni del CERN, che alimenta una serie di esperimenti che conducono misurazioni di alta precisione. L’ esperimento AMS-2 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale è alla ricerca di antimateria di origine cosmica. E una serie di esperimenti attuali e futuri affronterà la questione se vi sia asimmetria di materia antimateria tra i neutrini.
Anche se non siamo ancora in grado di risolvere completamente il mistero dell’asimmetria materia-antimateria dell’universo, la nostra ultima scoperta ha aperto le porte a un’era di misurazioni di precisione che hanno il potenziale per scoprire fenomeni ancora sconosciuti.
Ci sono tutte le ragioni per essere ottimisti sul fatto che un giorno la fisica sarà in grado di spiegare perché siamo qui.
Marco Gersabeck, docente di fisica, Università di Manchester
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale
