Perché siamo fatti di materia?

Da quel punto piccolo, denso e caldo l’energia ha prodotto materia e antimateria che a temperatura e densità elevatissime si annichilavano trasformandosi nuovamente in energia. In quei primi istanti, l’universo in rapida espansione era composto da una zuppa di fotoni, particelle e antiparticelle che in seguito si annichilirono senza essere più prodotte.
Se il numero delle particelle fosse stato uguale al numero delle antiparticelle il nostro universo sarebbe stato un immenso spazio in espansione contenente solo radiazione, un luogo vuoto e monotono.
Oggi, tuttavia, osservando l’universo sappiamo che la materia ha prevalso sull’antimateria, perché?
Questa è una domanda alla quale la fisica non ha ancora saputo rispondere, nonostante i decenni di impegno profuso dagli scienziati e dai ricercatori che hanno provato a risolvere il mistero proponendo diverse teorie. Pochi giorni fa gli scienziati hanno annunciato di aver intravisto una possibile soluzione al mistero, anche se la risposta definitiva è ancora di là da venire. Non abbiamo idea di quale sia la risposta finale, ma risolvere il mistero potrebbe dirci perché occupiamo un universo fatto di materia e forse aiutarci a capire come questa si colleghi a misteri sfuggenti che ancora i fisici non riescono a spiegare, la materia oscura e l’energia oscura.
Quasi tutte le teorie che spiegano come la materia abbia prevalso sull’antimateria occupano due campi principali, la prima è chiamata “bariogenesi elettrodebole” che prevede l’esistenza di versioni extra del bosone di Higgs, la particella responsabile della massa manifestata da quasi tutte le particelle elementari.
Se esistessero questi cugini del bosone Higgs, avrebbero potuto innescare una brusca transizione di fase nelle prime fasi dell’universo che avrebbe cosi preferito la materia all’antimateria. Quando la materia e l’antimateria entrano in contatto, si annichilano, quindi la maggior parte della materia e dell’antimateria nel giovane universo si sarebbe trasformata in pura energia, lasciandosi dietro solo un piccolo surplus di materia che ha dato vita a galassie, stelle, e pianeti.
La seconda è chiamata “leptogenesi” e chiama in causa particelle leggere, i leptoni appunto, famiglia alla quale appartengono i neutrini. Queste particelle, fin’ora ritenute fondamentali sono estremamente leggere, molto più leggere di altre particelle fondamentali come i Quark e vagano nell’universo quasi senza interagire con la materia.
Questo scenario, oltre ai normali neutrini che conosciamo, prende in considerazione altri neutrini pesanti che avrebbero potuto essere forgiati solo alle altissime energie presenti nelle prima fasi della vita dell’universo. I neutrini pesanti in seguito sarebbero decaduti in particelle più leggere e più stabili che avrebbero prodotto un surplus di materia rispetto all’antimateria portando all’universo che osserviamo oggi.
Un recente esperimento al T2K (Tokai a Kamioka) in Giappone ha dato dei segnali positivi verso la teoria della leptogenesi. L’esperimento osserva i neutrini mentre viaggiano per 300 chilometri mentre oscillano in un processo che li porta a mutare il proprio “sapore“, una peculiarità di questa misteriosa particella.
Quello che i ricercatori hanno misurato è un’oscillazione maggiore nei neutrini rispetto alla controparte di antimateria. Questa differenza è definita violazione CP, ed è un indizio forte per capire come la materia ha prevalso sull’antimateria dopo la nascita dell’universo. “Non lo chiamiamo ancora una scoperta“, afferma Chang Kee Jung, membro del team T2K della Stony Brook University. L’esperimento ha per ora escluso la possibilità che i neutrini abbiano una violazione del CP zero con una sicurezza del 95 percento, suggerendo che le particelle potrebbero mostrare la massima quantità possibile di violazione di CP consentita. Tuttavia, saranno necessari ulteriori esperimenti per misurare con precisione la differenza di oscillazione tra neutrini e antineutrini.
Anche se i fisici determinassero con certezza la violazione della CP nei neutrini, non avranno risolto del tutto la questione dell’antimateria cosmica. “Una scoperta del genere sarebbe necessaria ma non sufficiente per dimostrare la leptogenesi”, afferma Seyda Ipek, un fisico teorico dell’Università della California.
Un altro requisito della teoria è che i neutrini e gli antineutrini risultino essere la stessa cosa. Com’è possibile? La materia e l’antimateria sono ritenute identiche ad eccezione della carica elettrica che risulta essere invertita. I neutrini potrebbero essere sia materia che antimateria.
Se fosse così questo spiegherebbe perché i neutrini sono così leggeri, forse meno di un sei milionesimo della massa dell’elettrone. Se i neutrini e gli antineutrini sono sia particella che antiparticella, potrebbero guadagnare massa invece che con l’interazione con il campo di Higgs come fanno la maggior parte delle particelle, ma attraverso un’altro meccanismo processo chiamato “di movimento alternato”. Le loro masse infinitesimali sarebbero inversamente proporzionali a quelle dei pesanti neutrini sorti nell’universo primordiale.
Jessica Turner, fisica teorica del Fermilab, spiega che la leptogenesi è un modo molto elegante di spiegare le cose “Innanzitutto, spiega perché c’è più materia che antimateria. E in secondo luogo, spiega perché i neutrini hanno masse così piccole“. Le prove che i neutrini sono le loro controparti di antimateria potrebbero provenire da esperimenti alla ricerca di una reazione teorica chiamata doppio decadimento beta-neutrino, che potrebbe verificarsi solo se i neutrini fossero in grado di annichilirsi come materia e antimateria. Anche questa scoperta, tuttavia, non proverebbe pienamente la leptogenesi.
Secondo Marcela Carena, capo del dipartimento di fisica teorica del Fermilab, la bariogenesi elettrodebole, potrebbe essere più facile da indagare. Mentre la creazione di neutrini pesanti coinvolti nella leptogenesi probabilmente è fuori dalla portata degli acceleratori di particelle attuali e futuri, le versioni extra dei bosoni di Higgs previsti da questa teoria potrebbero essere rilevati dall’LHC del CERN. Questi bosoni di Higgs extra potrebbero interagire in modo discreto ma rilevabile con i tradizionali bosoni di Higgs che la macchina produce.
La barogenesi elettrodebole richiede una violazione della CP ulteriore che è stata scoperta nei quark, ma questa violazione è troppo debole per spiegare lo squilibrio tra la materia e l’anti materia che ha portato all’universo come lo conosciamo. Forse per scoprire questa violazione della CP bisogna spingersi nel regno della materia oscura che si ritiene abbondi nello spazio molto più della materia comune. Forse la materia oscura e l’antimateria hanno comportamenti diversi che potrebbero spiegare lo stato attuale dell’universo.
“La mia linea di lavoro ha cercato di collegare lo squilibrio materia-antimateria nell’universo all’idea che sappiamo che abbiamo bisogno di qualcosa che non abbiamo visto finora per spiegare la materia oscura“, dice Carena.
La prova della barogenesi elettrodebole potrebbe venire, inoltre, attraverso i numerosi esperimenti di caccia alla materia oscura. Se una transizione di fase cosmologica si fosse verificata poco dopo il big bang, come suppone la teoria, potrebbe aver prodotto onde gravitazionali che potrebbero essere captate da futuri rilevatori, come l’antenna spaziale per interferenze laser (LISA), che varrà lanciata negli anni ’30.
Tuttavia, queste teorie potrebbero essere due vicoli ciechi e l’universo potrebbe essersi evoluto per altre cause. “Quelle non sono le uniche due opzioni: il regno della teoria è molto vasto“, afferma Ipek. Di recente ha lavorato su un modello che implica la violazione della CP nella interazione forte dei quark all’interno di protoni e neutroni, e anche i teorici stanno prendendo in considerazione altre opzioni. “Penso che dobbiamo esplorare tutte le possibilità“, dice Turner. “La natura si dipana mentre lo fa; non possiamo controllarla. Facciamo solo del nostro meglio per comprenderla“.
A breve comunque progetti come il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) e il successore di T2K Hyper-Kamiokande (Hyper-K) dovrebbero essere abbastanza sensibili da riuscire ad effettuare almeno una misura della violazione della CP nei neutrini.
Come spiega il portavoce di DUNE Ed Blicher dell’università di Chicago: “I dati T2K sembrano interessanti quanto potrebbero sembrare. Mi fa molto piacere che ci sarà qualcosa di interessante da studiare nella prossima generazione di esperimenti che stanno arrivando“.
Fonte: https://www.scientificamerican.com/article/antimatter-discovery-reveals-clues-about-the-universes-beginning/