Che fine ha fatto l’antimateria?

Sottili asimmetrie tra materia e antimateria, alcune delle quali abbiamo osservato sperimentalmente in laboratorio, devono essere responsabili di questo squilibrio

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Gli esperimenti ci insegnano che per ogni particella fondamentale esiste un’antiparticella. Il big bang e le sue conseguenze quasi certamente hanno prodotto particelle e antiparticelle in egual numero. Tuttavia, per quanto possiamo sondare nell’universo, le nostre osservazioni indicano che viviamo in un universo di materia, non di antimateria.

Che fine ha fatto l’antimateria?

Un minuscolo squilibrio tra particelle e antiparticelle deve essersi sviluppato all’inizio dell’evoluzione dell’universo, altrimenti tutto si sarebbe annichilito, lasciando solo fotoni e neutrini. Sottili asimmetrie tra materia e antimateria, alcune delle quali abbiamo osservato sperimentalmente in laboratorio, devono essere responsabili di questo squilibrio. Ma la nostra attuale conoscenza di queste asimmetrie è incompleta, insufficiente per spiegare il dominio della materia osservato.

Ci deve essere qualche altro fenomeno da scoprire che fa sì che la materia e l’antimateria si comportino in modo diverso. Possiamo scoprirlo nei quark o nei neutrini. La sua origine potrebbe risiedere nelle proprietà del bosone di Higgs, nella supersimmetria o persino nelle dimensioni extra.

Strumenti per una rivoluzione scientifica

Il Modello Standard può accogliere la fenomenologia della violazione di CP nei quark, perché ci sono almeno tre generazioni di quark; e perché c’è una mescolanza tra i sapori dei quark quando interagiscono attraverso l’interazione debole. La violazione di CP misurata nei mesoni B a BaBar e Belle, insieme a una vasta gamma di studi sulla miscelazione di sapori di quark negli ultimi 20 anni, sono tutti coerenti con questa fenomenologia. Tuttavia, le attuali conoscenze sulla violazione della CP sono incomplete e insufficienti di molti ordini di grandezza per spiegare l’asimmetria primordiale materia-antimateria dell’universo.

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Esperimenti attuali e pianificati con acceleratori, incluso l’esperimento LHCb, hanno lo scopo di scoprire altre fonti di violazione di CP che fanno sì che la materia e l’antimateria si comportino in modo diverso. Può apparire nei quark o nei neutrini. La sua origine potrebbe risiedere nelle proprietà del bosone di Higgs, nella supersimmetria o persino nelle dimensioni extra.

La violazione di CP nelle reazioni che modificano il sapore dei quark viene misurata con quark strange (decadimenti del mesone K) e quark bottom (decadimenti del mesone B). Gli esperimenti in corso e pianificati includono; BaBar allo SLAC, Belle al KEK (decadimento di Bd) e LHCb al CERN (decadimento di Bd e Bs).

Definire con precisione il ruolo della violazione di CP nei quark è un passo fondamentale per risolvere l’enigma del destino dell’antimateria primordiale. Gli esperimenti hanno finora dimostrato che, di per sé, la violazione di CP nei quark dalla miscelazione di sapori nel Modello Standard non è probabilmente l’unica fonte dell’asimmetria materia-antimateria osservata nell’universo. Gli attuali e futuri esperimenti di fisica B saranno sensibili a fonti di violazione di CP oltre il Modello Standard.

La scoperta che i neutrini hanno massa apre alla ricerca della violazione di CP nelle reazioni dei leptoni. La massa del neutrino può, in linea di principio, trasformare la materia in antimateria e viceversa, e può cambiare l’equilibrio tra di loro. Sono necessari esperimenti per scoprire il ruolo dei neutrini nella questione dell’antimateria.

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L’esperimento MINOS al Fermilab e gli esperimenti di oscillazione dei neutrini basati su reattore misureranno i parametri dell’oscillazione dei neutrini. Se i parametri di oscillazione sono favorevoli, un impianto di neutrini superbeam con un grande esperimento sotterraneo rileverà la violazione di CP nei neutrini. Un rivelatore così grande, se sufficientemente lontano nel sottosuolo, ad esempio in un potenziale laboratorio di scienza e ingegneria del sottosuolo, potrebbe anche servire come esperimento di decadimento protonico di prossima generazione.