| materia e antimateria | annichilimento della materia |
| le ipotesi | il ruolo dei neutrini |
MATERIA ED ANTIMATERIA
È ragionevole ritenere che, all’inizio di tutto, l’universo contenesse un ugual numero di particelle e antiparticelle, le quali interagendo avrebbero dovuto progressivamente annichilirsi in pura energia dando luogo a un universo privo di strutture materiali.
Come mai allora esistono stelle e galassie fatte di materia e non di antimateria?
Per tentare di capirci qualcosa facciamo un passo indietro.
La fisica quantistica, all’inizio del ventesimo secolo, ha stravolto completamente tutto ciò che credevamo sul nostro mondo, specialmente per quel che riguarda l’infinitamente piccolo. In particolare, tra le molte cose che ha scardinato, ci ha detto che la materia che vediamo solitamente, la sola con cui avevamo interagito per millenni, non era l’unica materia possibile.
La fisica quantistica ha dimostrato che tra le particelle esiste una simmetria fondamentale: per ciascuna di esse può esisterne una simmetrica, dotata della stessa massa, ma con carica elettrica opposta.
La esistenza di una particella antagonista era nella soluzione delle equazioni di Schrödinger che prevedeva due soluzioni: una carica negativa ed una carica positiva per l’elettrone. Per quanto riguarda le altre proprietà, anch’esse sono uguali o uguali con segno opposto.
A ogni particella corrisponde quindi una “antiparticella”: così l’elettrone ha come antiparticella una particella di carica positiva, il positrone; il protone ha l’antiprotone, eccetera.
In generale, la distinzione tra particella e antiparticella è puramente convenzionale. Si dicono “particelle” quelle che si trovano in superiorità nel nostro ambiente fisico, come gli elettroni e i protoni. In un simile ambiente le loro antiparticelle scompaiono per annichilazione, sono cioè effimere.
Il problema è che finora non è stato possibile vedere nessuno di questi partner.
In pratica è come se in una coppia si vedesse soltanto uno dei partner. Allo stesso modo vediamo solo metà del mondo esistente delle particelle elementari.
Questo ci porta a dire che qualcosa deve esser successo nell’attimo del Big Bang. Una porzione di materia sembra che non abbia reagito con l’antimateria producendo quella che oggi è la materia che vediamo e di cui siamo fatti.
L’antimateria sarebbe quindi semplicemente confinata in una porzione di universo separata dalla nostra e non si potrebbe avvicinare a causa della repulsione gravitazionale.
Insomma l’antimateria è speculare in tutto e per tutto, e chissà, potrebbero esistere mondi composti di antimateria.
ANNICHILIMENTO
Quando materia e antimateria entrano in contatto vanno incontro a annichilazione, che vuol dire una istantanea e catastrofica liberazione di energia che distrugge e annulla tutto, lasciando solamente il vuoto, anzi il nulla, inteso come assenza di tutto.
Se tutta la materia e tutta l’antimateria, generate in quantità uguali dal Big Bang, avessero subito questa sorte ora ….. io non dovrei essere qui a scrivere questo articolo.
Se una parte di antimateria annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle e antiparticelle annichilate viene convertita in energia. Questo processo permette di ottenere enormi quantità di energia da pochissima materia e antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola.
La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce circa 4.000.000.000 (4 miliardi) di volte l’energia che si ottiene bruciando 1 kg di petrolio, e circa 70 volte l’energia prodotta dalla fusione nucleare di un kg di idrogeno in elio.
La energia liberata appare sotto forma di fotoni.
Quando un protone collide con la sua antiparticella si producono due o più fotoni gamma, 
Questo potrebbe spiegare quanto avvenuto nel Big Bang. Parte dell’antimateria si annichilisse con la materia liberando fotoni che è il bagliore impresso all’universo. Mentre da una parte si genera materia da qualche altra parte rimane confinata la parte restante dell’antimateria.
LE IPOTESI
Ci sono molti studi ed esperimenti che hanno cercato di spiegare questo stato di fatto, descritto come asimmetria dell’Universo, ma nonostante i progressi nessuno è esaustivo.
L’ipotesi più probabile è che, sul finire del periodo di espansione inflazionaria dell’universo, un’impercettibile asimmetria in una delle leggi che governano le particelle elementari abbia determinato il sopravvento dei barioni (protoni, neutroni, ecc.) sugli antibarioni: la cosiddetta bariogenesi.
Fu resa possibile dalla cosiddetta asimmetria barionica, ovvero un’asimmetria tra materia e antimateria, con conseguente sopravvivenza alla annichilazione di una quota di materia residua che costituisce l’universo attuale. La ragione di tale asimmetria è uno dei problemi irrisolti della fisica.
I tentativi di spiegazione coinvolgono alcune sue branche, come la teoria quantistica dei campi e la fisica statistica, e la loro differenza fondamentale sta nella descrizione delle interazioni tra le particelle elementari.
Non è facile parlare di simmetria e asimmetria soprattutto quando si parla del mondo subnucleare.
Se ci guardiamo allo specchio vediamo che la parte sinistra è simmetrica alla parte destra secondo un asse verticale. Ma ad una vista più attenta le due immagini non sono perfettamente speculari (rottura della simmetria). Non siamo simmetrici su un asse orizzontale.
Nel mondo subnucleare le cose sono complicate.
Per anni si è cercato di scovare le asimmetrie nelle particelle che avrebbero creato il mondo delle particelle visibili. Il XX secolo dai fisici è stato definito “il secolo della simmetria”, per l’importanza avuta da questo concetto nello sviluppo scientifico.
Rottura della simmetria
Più della simmetria l’attenzione è stata rivolta alla rottura della simmetria.
In realtà è la violazione di una simmetria ad aprire nuove porte per la comprensione della natura. Per la prima volta l’ideale della massima simmetria nella descrizione dei fenomeni fisici si scontra con il problema della diversità.
A lungo si è ritenuto che la natura fosse intrinsecamente simmetrica unicamente rispetto alle trasformazioni di carica, chiamata trasformazione C. Ovvero che l’unica trasformazione possibile fosse solo tra l’opposizione della carica.
Senza entrare nel merito, la materia è complessa, risulterebbero altre asimmetrie riguardanti lo spin e l’inclinazione dell’asse di rotazione.
In pratica oltre la simmetria C che riguarda la carica c’è la simmetria P o di parità che cambia la sinistra con la destra invertendo le coordinate spaziali (un po’ come vedere il mondo allo specchio), la simmetria T o di inversione temporale, che cambia il verso di tutte le trasformazioni ( come se il tempo scorresse a ritroso, dal futuro al passato).
A lungo si è ritenuto che la simmetria CP, ottenuta combinando la simmetria C e la simmetria P, è stata considerata una simmetria esatta della natura, ma la sua violazione in forma indiretta è stata riscontrata in molti processi.
Ora, mentre le interazioni elettromagnetiche (di carica) e quelle governate dalla forza nucleare sono invarianti per la coniugazione di carica C, le interazioni deboli violano tale legge.
Qual’è il senso di tutto questo?
La violazione della simmetria CP è probabilmente in grado di spiegare l’evidente asimmetria tra materia e antimateria che si osserva nel cosmo.
Uno sperimento presso il Large Hadron Colidere del Cern di Ginevra ha mostrato per la prima volta che le particelle contenenti un quark charm, si comportano in modo leggermente diverso dalle loro rispettive antiparticelle quando decadono. Questa differenza si manifesta in particolare nelle particelle chiamate mesoni D0 con la violazione della simmetria CP. Infatti tutto ciò che ci circonda è fatto particelle e non di antiparticelle, che si manifestano solo in processi fisici ad altissime energie, per scomparire in tempi brevissimi, per annichilazione con le rispettive particelle. Invece, secondo la teoria del Big Bang, particelle e antiparticelle furono create in parti uguali all’inizio dell’universo.
L’entità della violazione, sottolineano con cautela i ricercatori, è ancora insufficiente per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria che si osserva in natura, ma il risultato conferma che si è sulla buona strada per cercare nuovi processi di violazione di CP nelle particelle contenenti quark c e per comprendere gli effetti della violazione di CP anche per altri tipi di quark.
IL RUOLO DEI NEUTRINI
I neutrini potrebbero essere la chiave per risolvere il grande enigma dell’asimmetria cosmologica tra materia e antimateria.
La violazione della simmetria CP (l’invarianza delle leggi fisiche rispetto all’inversione degli assi spaziali e al cambiamento di carica) è uno degli ingredienti necessari di ogni possibile teoria di bariogenesi, che richiede comunque, alla luce delle osservazioni sperimentali a noi note, un’estensione del modello standard.
Uno dei meccanismi di bariogenesi ipotizzato, detto “leptogenesi”, potrebbe riuscire a mettere in relazione e spiegare sia la massa dei neutrini sia l’asimmetria materia-antimateria.
Si suppone in questo caso che alle energie altissime dell’universo appena nato potessero essere presenti anche neutrini molto pesanti e non interagenti, detti perciò “sterili”, che decadendo in modo asimmetrico in altre particelle avrebbero creato quel piccolissimo eccesso di materia che ha dato origine al nostro universo, mentre tutto il resto si trasformava in bagliori di luce primordiale.
La teoria prevede anche che quanto più è grande la massa dei neutrini sterili, tanto più è piccola la massa dei neutrini a noi noti, con un meccanismo ad altalena (seesaw) che riuscirebbe a spiegare
l’enorme differenza tra le masse dei neutrini e quelle delle altre particelle elementari.
Altri elementi di prova a favore della teoria della leptogenesi possono essere ottenuti attraverso la misura della violazione della simmetria CP a bassa energia con i neutrini già noti.
Risultati molto incoraggianti sono recentemente arrivati dall’esperimento giapponese T2K che ha trovato che il numero di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici è inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici.
È veramente entusiasmante come il neutrino non cessi mai di sorprenderci: paragonabile a un fantasma per la sua elusività e ad un camaleonte per la sua capacità di trasformarsi da un sapore a un altro, è anche l’indiziato principale per la scomparsa dell’antimateria dell’universo.
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