Le particelle che compongono galassie, stelle, pianeti ed esseri viventi sono composti da atomi formati da protoni neutroni ed elettroni che chiamiamo materia. Le particelle che compongono la materia hanno una controparte composta da particelle con carica opposta che chiamiamo “antimateria”. Quando materia e antimateria interagiscono si annichilano in un lampo di energia.
Se l‘antimateria e la materia sono copie speculari l’una dell’altra, avrebbero dovuto essere prodotte in quantità uguali nel Big Bang. Se cosi fosse stato, non sarebbe rimasto nulla per costruire le strutture che osserviamo e noi stessi. Oggi osserviamo l’antimateria solo in alcuni decadimenti radioattivi e in una piccola parte dei raggi cosmici che piovono sulla Terra dallo spazio.
Dov’è finita l’antimateria? Grazie all’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider) al CERN di Ginevra abbiamo scoperto qualcosa che differenzia la materia dall’antimateria.
A ipotizzare l’esistenza dell’antimateria fu nel 1928 il fisico Paul Dirac alla ricerca di una teoria che conciliasse i principi della meccanica quantistica con quelli della relatività ristretta. Dirac scrisse l’equazione che descriveva il moto degli elettroni.
All’inizio non era chiaro per i fisici se si trattasse solo di una stranezza matematica o di una descrizione di una particella reale.
Nel 1932 Carl Anderson scoprì la controparte dell’elettrone nei raggi cosmici, la particella venne chiamata positrone in quanto era in tutto e per tutto simile all’elettrone tranne che per la carica che risultava opposta, nasceva cosi l’antimateria.
In seguito i fisici hanno scoperto che tutte le particelle che compongono la materia hanno una controparte di antimateria.
Oggi si ritiene che frazioni di secondo dopo il Big Bang l’universo si trovava in uno stato denso e caldissimo. Quelle condizioni devono aver favorito dei processi che hanno fatto prevalere la materia sull’antimateria. Nell’universo in espansione la materia sopravvissuta alla distruzione ha formato tutte le strutture oggi esistenti. Non sappiamo quali siano i processi che hanno risparmiato una piccola parte della materia nonostante decenni di ricerche.
I comportamenti delle particelle elementari come i quark (che compongono protoni e neutroni) e dei leptoni (particelle elementari cariche come l’elettrone e neutre come i neutrini) potrebbero svelarci i misteri sulla differenza tra materia e antimateria. Esistono diversi tipi di quark, noti come: up, down, charm, strange, bottom and top più i sei anti-quark corrispondenti.
I quark up e down compongono protoni e neutroni che costituiscono i nuclei della materia ordinaria, mentre gli altri quark possono essere prodotti da processi ad alta energia, ad esempio facendo collidere particelle in acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN.
I mesoni sono particelle composte da un quark e un anti-quark, i mesoni neutri sono quattro (B 0 S , B 0 , D 0 e K 0 ) e mostrano un comportamento particolare. Possono oscillare trasformandosi da materia in antimateria e viceversa. Il fenomeno è stato osservato per la prima volta nel 1960. Poiché sono instabili, “decadono” in altre particelle più stabili. Questo decadimento avviene in modo leggermente diverso per i mesoni rispetto agli anti-mesoni. Il decadimento combinato alle oscillazioni porta a una variazione nei tempi di decadimento.
Le regole che descrivono le oscillazioni e i decadimenti sono date da un quadro teorico chiamato meccanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) . Questo meccanismo predice una differenza nel comportamento della materia e dell’antimateria, ma troppo piccola per generare il surplus di materia nell’universo primordiale necessario per spiegare l’abbondanza che vediamo oggi.
Questa conclusione indica che c’è qualcosa che non capiamo e che lo studio di questo fenomeno può mettere in discussione alcune delle teorie fondamentali della fisica.
Recentemente un esperimento effettuato con il LHC ha studiato i mesoni B 0 S neutri , osservando il loro decadimento in coppie di mesoni K carichi. I mesoni B 0 S sono stati creati facendo scontrare protoni con altri protoni nel Large Hadron Collider. I mesoni hanno oscillato tramutandosi in anti-mesoni tre trilioni di volte al secondo. Le collisioni hanno creato mesoni anti-B 0 S che oscillano allo stesso modo, hanno fornito campioni di mesoni e anti-mesoni che potrebbero essere confrontati.
Contando il numero di decadimenti dei due campioni e confrontato i due numeri, per vedere come questa differenza variava con il progredire dell’oscillazione si è scoperta una leggera differenza – con più decadimenti per uno dei mesoni B 0 S. E per la prima volta per i mesoni B 0 S , è stata osservata che la differenza di decadimento, o asimmetria, variava secondo l’oscillazione tra il mesone B 0 S e l’anti-mesone.
Questo studio, di fondamentale importanza per capire la differenza tra materia e antimateria, ha permesso inoltre la misurazione la dimensione delle asimmetrie. Questo può essere tradotto in misurazioni di diversi parametri della teoria sottostante. Il confronto dei risultati con altre misurazioni fornisce un controllo di coerenza, per vedere se la teoria attualmente accettata è una descrizione corretta della natura. Poiché la piccola preferenza della materia sull’antimateria che osserviamo su scala microscopica non può spiegare la schiacciante abbondanza di materia che osserviamo nell’universo, è probabile che la nostra attuale comprensione sia un’approssimazione di una teoria più fondamentale.
Studiare questo meccanismo che può generare asimmetrie materia-antimateria, sondandolo da diverse angolazioni, potrebbe dirci dove si trova il problema. Studiare il mondo su scala microscopica è la migliore possibilità per capire ciò che viene osservato a grande scala.
