Perché l’Universo è fatto così? Si cercano risposte nell’antimateria

HARVARD – In un articolo pubblicato il 25 marzo nella rivista Physical Review Letters il gruppo di ricerca ATRAP, guidato dal Prof. Gerald Gabrielse,  ha presentato i risultati di uno studio concernente i rapporti tra materia e antimateria. Grazie ad una “trappola” ad hoc formata dall’interazione di campi elettrici ed elettromagnetici, è stato possibile catturare singoli protoni ed antiprotoni e misurarne le oscillazioni. 

Con una precisione senza precedenti, i ricercatori hanno misurato il magnetismo di un protone con una accuratezza mille volte superiore rispetto agli esperimenti passati. Test simili con gli antiprotoni hanno raggiunto un’ accuratezza di quasi settecento volte superiore rispetto al passato.

Considerando che è stato raggiunto con un solo protocollo sperimentale, si tratta indubbiamente di un enorme passo avanti. Le ripercussioni non si limitano alla fisica teorica, in cui gli scienziati si aspettano di cogliere importanti indizi sulla natura della materia/antimateria e sulla formazione dell’Universo. Secondo Gerald Gabrielse la conoscenza sempre più precisa della materia/antimateria ci metterà nelle condizioni di rispondere a domande di più ampio respiro: perché l’Universo è fatto così? Cos’è la materia? Perché siamo qui?

L’antimateria. La natura della materia/antimateria è uno dei grandi misteri della fisica. Mentre della materia abbiamo una nozione anche intuitiva, prima che fisica, l’antimateria è un concetto alquanto oscuro. “Secondo le nostre teorie, durante il Big Bang è stata prodotta la stessa quantità di materia e di antimateria. Quando materia e antimateria si incontrano si annichilano a vicenda. Mentre l’universo si raffredda il grande mistero è: perché non tutta la materia trova l’antimateria in modo di annichilarsi a vicenda? C’è un sacco di materia e di antimateria e non si sa il perché”, ha spiegato Gerald Gabrielse.

Un lieve squilibrio a favore della materia ha causato l’annichilimento di gran parte dell’antimateria, rendendo possibile la formazione di un universo stabile composto quasi esclusivamente da materia. Per questa ragione, secondo l’opinione prevalente tra gli scienziati, l’antimateria non sembra essere presente in grandi quantità nell’universo conosciuto dall’uomo.

La prima seria ipotesi dell’esistenza dell’antimateria risale al 1928 ad opera del fisico Paul Dirac che dedusse l’esistenza dell’antiparticella dell’elettrone (dotata di carica positiva) quale soluzione della versione relativistica dell’equazione di Schrödinger (la famosa equazione di Dirac) Nel 1932 l’esistenza dell’antimateria è stata confermata a livello empirico dagli esperimenti di Carl David Anderson. Oggi i fisici possono osservare l’antimateria solo grazie agli acceleratori di particelle.

L’antimateria è, infatti, un agglomerato di antiparticelle i cui atomi sono composti da un nucleo a carica negativa (antiprotone) e da antielettroni (positroni) a carica positiva che vi orbitano intorno. Gli atomi dell’antimateria si distinguono da quelli della materia ordinaria per la carica opposta rispetto a quella del neutrone e dell’elettrone. Quando una particella di materia e una antiparticella di antimateria entrano in contatto diretto tra loro si annichiliscono a vicenda emettendo fotoni ad alta energia (sottoforma di raggi gamma) o altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell’energia totale, precedente e seguente l’impatto, rimanga costante.

Misurare con esattezza protoni ed antiprotoni può aiutarci a capire meglio la simmetria CTP, una caratteristica intrinseca della realtà, alle scale dimensionali più piccole. Una conseguenza del modello standard della fisica delle particelle prevede che gli stati CPT tra protoni e antiprotoni sono identici – con la stessa quantità di carica e di massa – ma dovrebbero avere cariche opposte.

La simmetria CTP. Nella fisica delle particelle elementari le simmetrie, ovvero l’invarianza dei processi osservati rispetto a certe trasformazioni – quali la coniugazione di carica C, la parità P e l’inversione temporale T- sono concetti cardine. La prima simmetria (C) consiste nell’associare a una particella elementare la sua antiparticella (invertendo il segno della sua carica elettrica). La seconda (P) è una trasformazione che inverte il verso degli assi spaziali (un po’ come vedere il mondo allo specchio), mentre  la terza (T) inverte il senso dell’asse temporale, come se il tempo scorresse dal futuro al passato, a ritroso.

La simmetria CPT implica l’esistenza di un’immagine speculare del nostro universo come se lo stessimo guardando allo specchio (ecco l’inversione della parità), in cui la materia sostituita da antimateria (in virtù dell’inversione di carica) e in cui il tempo scorre a ritroso. Questo universo evolverà come il nostro e, essendo i due universi identici in ogni istante, è sempre possibile che la CTP possa trasformare l’uno nell’altro.

Nel dominio della fisica delle particelle le cose non stanno esattamente così. A partire dagli anni cinquanta, numerosi esperimenti hanno mostrato diverse violazioni della simmetria. Sappiamo che la parità è violata nel caso del decadimento radioattivo beta; alla fine degli anni cinquanta si è scoperto che anche il cobalto-60 radioattivo, quando decade, viola la parità. Il decadimento consiste nell’emissione di elettroni con una direzione privilegiata per cui, se si osserva il processo alla specchio, si vede un fenomeno che non si può osservare in natura. Altre forze fondamentali violano la simmetria CP, ma fino ad oggi non è mai stata trovata una violazione di tutte e tre le simmetrie insieme. È sensato pensare che la CTP sia una caratteristica intrinseca della realtà.

Studi precedenti sul rapporto tra carica e massa avevano già confermato le previsioni della simmetria CTP nel caso dei protoni/antiprotoni. Gerald Gabrielse precisa che sono necessarie ulteriori indagini soprattutto perché il Modello Standard non tiene conto di tutte le forze presenti nell’Universo: in primis  la gravità. Per ora gli esperimenti sono fermi al caso dei protoni. Per gli antiprotoni sono necessarie le collisioni ad alta energia del CERN di Ginevra.

Per quanto possa essere suggestivo credere che il nesso materia/antimateria sia la chiave per rispondere alle domande richiamate sopra – perché l’Universo è fatto così? Cos’è la materia? Perché siamo qui? – non bisogna dimenticare che i risultati pubblicati nella rivista Physical Review Letters rientrano nelle previsioni del Modello Standard. E soprattutto che il momento magnetico del protone si discosta da quello dell’antiprotone di meno di cinque parti per milione; ancora una volta in accordo con la simmetria CTP. Ci sarebbe, invece, molto da dire sulla gravità.