Il fatto che nel nostro universo la materia sia dominante rispetto all'antimateria è uno dei misteri più intriganti per la fisica moderna.
In qualche modo, nei primissimi attimi di esistenza dell’universo, quasi tutta l’antimateria scomparve, lasciando solo la materia che comunemente vediamo. Da anni i fisici cercano di capire cosa abbia provocato la scomparsa di quasi tutta l’antimateria.
Ora, un tre fisici teorici ha proposto che un trio di particelle chiamato bosoni di Higgs potrebbe essere responsabile della misteriosa scomparsa dell’antimateria. E pensano di sapere come confermarne la colpevolezza.
In quasi ogni singola interazione tra particelle subatomiche, l’antimateria (che è identica alla materia normale ma con carica opposta) e la materia normale vengono prodotte in egual misura. Sembra essere una simmetria fondamentale dell’universo. Eppure, quando usciamo e guardiamo l’universo, non vediamo antimateria. Per quanto ne sanno i fisici, per ogni particella di antimateria ancora in circolazione, ci sono circa un miliardo di particelle di materia normale, in tutto il cosmo.
Questo mistero ha molti nomi, come, ad esempio, “problema della asimmetria della materia” o “problema della asimmetria barionica“; indipendentemente dal nome, fino ad ora, nessuno è stato in grado di fornire una spiegazione coerente del dominio della materia sull’antimateria.
Tuttavia, la natura ha lasciato in giro alcuni indizi. Ad esempio, nel cosiddetto fondo cosmico a microonde non è rilevabile nessuna prova di abbondante presenza di antimateria: il calore lasciato dal Big Bang, la nascita dell’universo. Ciò suggerisce che la scomparsa dell’antimateria si è verificata nell’universo primordiale. E l’universo primordiale era un posto piuttosto strano, la cui fisica era complicata e ancora mal compresa.
In effetti, il momento migliore per la scomparsa dell’antimateria è proprio durante la breve ma tumultuosa epoca durante la quale le forze della natura si andavano definendo e il cosmo iniziava a raffreddarsi.
Ad alte energie (come quelle all’interno di un collisore di particelle), la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole uniscono i loro poteri per formare una nuova forza: l’elettrodebole. Questa forza torna a dividersi nella due forze familiari una volta che le cose si raffreddano e le energie tornano alla normalità.
Ad energie ancora più elevate, come quelle che c’erano nei primi momenti del Big Bang, pensiamo che la forza nucleare forte si fonda con l’elettrodebole, e ad energie ancora più elevate, la gravità riunisce tutto in un’unica forza unificata. Ma non abbiamo ancora capito come entra in gioco la gravità.
Il bosone di Higgs svolge il compito di dividere la forza elettromagnetica dalla forza nucleare debole. I fisici sono abbastanza certi che la divisione materia-antimateria avvenne prima che tutte e quattro le forze della natura si mettessero al loro posto come entità definite; questo perché abbiamo una comprensione abbastanza chiara della fisica dell’universo post-split e l’aggiunta di troppa antimateria nelle epoche successive violerebbe le osservazioni del fondo cosmico a microonde.
Perciò, è possibile che il bosone di Higgs abbia avuto un ruolo.
Ma l’Higgs da solo non può bastare; non esiste alcun meccanismo noto che utilizza solo gli Higgs per causare uno squilibrio tra materia e antimateria.
Per fortuna, la storia del bosone di Higgs potrebbe non essere finita. I fisici, durante esperimenti con i collisori, hanno trovato un singolo bosone di Higgs dotato di una massa di circa 125 miliardi di elettron-volt o GeV (per riferimento, un protone pesa circa 1 GeV).
E qui si scopre che il bosone di Higgs potrebbe non essere solo.
È del tutto possibile che vicino vi siano più bosoni di Higgs più massicci di ciò che possiamo attualmente rilevare nei nostri esperimenti. Per quanto ne sappiamo oggi, quei bosoni di Higgs più pesanti, se esistessero, non parteciperebbero realmente a nessuna fisica a cui possiamo accedere con i nostri collisori, non abbiamo abbastanza energia per “attivarli“. Ma nei primi tempi dell’universo, quando le energie erano molto, molto più alte, l’altro Higgs avrebbe potuto essere attivato e quegli Higgs avrebbero potuto causare uno squilibrio in alcune interazioni fondamentali delle particelle, portando alla moderna asimmetria tra materia e antimateria.
E così gran parte di quel flusso di materia in eccesso avrebbe potuto, prodotta violando la simmetria, annichilire l’antimateria, eliminandola quasi completamente dall’universo in un flusso di radiazioni. In questo scenario, rimarrebbe abbastanza materia normale da condurre all’universo che conosciamo.
Per fare questo lavoro, i teorici propongono che il trio includa una particella di Higgs conosciuta e due ancora da individuare, con ognuno di questi due con una massa di circa 1.000 GeV. Questo numero è puramente arbitrario, ma è stato appositamente scelto per rendere questo ipotetico Higgs potenzialmente rilevabile con la prossima generazione di collettori di particelle. Inutile presupporre l’esistenza di una particella che non potrebbe essere rilevata.
Quindi ora c’è da vincere una sfida. Qualunque meccanismo abbia causato l’asimmetria deve aver dato alla materia un vantaggio sull’antimateria di un fattore da un miliardo a uno. E ha avuto un brevissimo lasso di tempo nell’universo primordiale per fare le sue cose; una volta divise le forze, il gioco è finito e la fisica, come sappiamo, si è definita. E questo meccanismo, inclusi i due nuovi Higgs, deve essere testabile.
La risposta breve: l’hanno fatto. È comprensibilmente un processo molto complicato, ma il meccanismo (e teorica) funzionerebbe così: i due nuovi Higgs decadono in docce di particelle a velocità leggermente diverse e con preferenze leggermente diverse per la materia rispetto all’antimateria. Queste differenze si accumulano nel tempo e quando la forza elettrodebole si divide, c’è abbastanza differenza nelle popolazioni di particelle materia-antimateria “costruite” nell’universo che la materia normale finisce per dominare sull’antimateria.
Certo, questo risolve il problema dell’asimmetria barionica ma porta immediatamente alla domanda su cosa stia facendo la natura con così tanti bosoni di Higgs.
Beh, facciamo un passo alla volta.
Fonte: Live Science.
