Il più grande mistero cosmico si avvicina alla soluzione

Stelle, galassie, pianeti, praticamente tutto ciò che compone la nostra vita quotidiana deve la sua esistenza a una stranezza cosmica

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Da tempo gli scienziati si domandano come mai il nostro universo è dominato dalla materia invece che dall’antimateria. Sappiamo che quando la prima materia comparve nell’universo, contemporaneamente comparve anche la corrispondente quantità di antimateria.

Perché, allora, nell’universo che osserviamo attualmente, l’antimateria è quasi completamente assente?

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La natura di questa stranezza, che ha permesso alla materia di dominare l’Universo a spese dell’antimateria, rimane un mistero.

Ora, i risultati di un esperimento effettuato in Giappone potrebbero aiutare i ricercatori a risolvere il mistero, uno dei più grandi della scienza. Si basa su una differenza nel modo in cui le particelle di materia e antimateria si comportano.

Il mondo che ci è familiare – compresi tutti gli oggetti quotidiani che possiamo toccare – è fatto di materia. I mattoni fondamentali della materia sono particelle subatomiche, come elettroni, quark e neutrini. Ma la materia ha una controparte oscura chiamata antimateria.

Ogni particella subatomica della materia ordinaria ha una corrispondente “antiparticella”.

Oggi c’è molta più materia che antimateria nell’Universo. Ma non è stato sempre così.

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Il Big Bang avrebbe dovuto creare materia e antimateria in egual misura.

CMB
Immagine copyright: ESA / COLLABORAZIONE PLANCK – Lo sfondo cosmico a microonde (CMB) è spesso descritto come il “bagliore” del Big Bang

Quando i fisici delle particelle producono nuove particelle negli acceleratori, scoprono sempre che producono coppie particella-antiparticella: per ogni elettrone negativo, un positrone caricato positivamente (la controparte dell’antimateria dell’elettrone)“, spiega il prof. Lee Thompson dell’Università di Sheffield, membro della collaborazione T2K.

Allora perché l’universo non è antimateria al 50%? Questo è un problema di lunga data in cosmologia: cosa è successo all’antimateria?

Quando una particella di materia incontra la sua antiparticella, esse si “annichilano” – scomparendo in un lampo di energia.

Durante le prime frazioni di secondo che sono seguite al Big Bang, l’Universo caldo e denso che esisteva in quel momento era frizzante come un bicchiere di acqua minerale, con coppie di particelle antiparticelle che apparivano e uscivano dall’esistenza. Senza altri meccanismi sconosciuti in gioco, l’Universo non dovrebbe contenere altro che l’energia rimasta dopo l’annichilazione di queste coppie di particelle.

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Sarebbe piuttosto noioso e non saremmo qui“, ha dichiarato il prof. Stefan Söldner-Rembold, capo del gruppo di fisica delle particelle all’Università di Manchester.

Quindi cosa ha cambiato l’equilibrio?

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È qui che entra in gioco l’esperimento T2K.

T2K ha sede presso l’osservatorio di neutrini Super-Kamiokande, che si trova sottoterra  nell’area Kamioka di Hida, in Giappone.

I ricercatori hanno utilizzato il rilevatore della struttura per osservare i neutrini e le loro controparti di antimateria, gli antineutrini, generati a 295 km di distanza nel complesso di ricerca giapponese dell’acceleratore di protoni (J-Parc) a Tokai. T2K sta per Tokai a Kamioka.

ProtoDune
Immagine copyright: CERN – Un prototipo dei rivelatori che verranno utilizzati a DUNE è stato costruito dal Cern

Mentre viaggiano attraverso la Terra, le particelle e le antiparticelle oscillano tra le diverse proprietà fisiche conosciute come sapori.

I fisici pensano che trovare una differenza – o asimmetria – nelle proprietà fisiche dei neutrini e degli antineutrini potrebbe aiutarci a capire perché la materia è così diffusa rispetto all’antimateria. Questa asimmetria è nota come violazione della carica-coniugazione e inversione di parità (CP).

È una delle tre condizioni necessarie, proposta dal fisico russo Andrei Sakharov nel 1967, che deve essere soddisfatta per produrre materia e antimateria a ritmi diversi.

Dopo aver analizzato i dati di nove anni, i ricercatori hanno trovato una discrepanza nel modo in cui i neutrini e gli antineutrini oscillano registrando i numeri che hanno raggiunto il Super Kamiokande con un sapore diverso da quello con cui erano stati creati.

Il risultato ha anche raggiunto un livello di significatività statistica – chiamato three-sigma – che è abbastanza alto da indicare che in queste particelle si verifica una violazione della CP.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Mentre la violazione della CP che coinvolge i quark è sperimentalmente ben stabilita, la violazione della CP non era mai stata osservata per i neutrini“, ha dichiarato Stefan Söldner-Rembold.

Andrei Sakharov
Immagine copyright: SCIENCE PHOTO LIBRARY – Andrei Sakharov sviluppò armi nucleari per l’Unione Sovietica, ma in seguito fece una campagna per il disarmo. Propose tre condizioni per produrre materia e antimateria a ritmi diversi

La violazione della simmetria CP è una delle condizioni (Sakharov) per l’esistenza di un universo dominato dalla materia, ma l’effetto guidato dai quark è purtroppo troppo piccolo per spiegare perché il nostro universo è principalmente pieno di materia.

Scoprire la violazione della CP con i neutrini sarebbe un grande passo avanti nella comprensione di come si è formato l’Universo“.

Una teoria chiamata leptogenesi collega il dominio della materia alla violazione di CP che coinvolge neutrini. “Questi modelli di leptogenesi prevedono che la dominazione della materia è in realtà dovuta ai neutrini. Se si osservasse una violazione della CP dei neutrini, ciò ci darebbe una forte indicazione del fatto che il modello della leptogenesi è la via da seguire“, spiega il prof. Söldner-Rembold.

I risultati di T2K “danno forti indicazioni” che l’effetto di violazione del CP potrebbe essere grande per i neutrini.

Ciò significherebbe che l’esperimento sui neutrini di nuova generazione DUNE, attualmente in costruzione in una miniera nel South Dakota, potrebbe rilevare l’effetto più rapidamente del previsto. Il progetto internazionale è ospitato dal National Accelerator Laboratory (Fermilab) degli Stati Uniti.

Il prof. Söldner-Rembold è membro del team scientifico di DUNE e portavoce della collaborazione. Il rilevatore dell’esperimento conterrà 70.000 tonnellate di argon liquido sepolto a 1600 metri di profondità. Sarà utilizzato per scoprire e misurare la violazione del CP con alta precisione.

“Il risultato T2K ci avvicina di più a un modello che spiega come l’Universo si è evoluto da come era all’inizio fino all’Universo dominato dalla materia oggi”.