Perché esistiamo? Questa è forse la domanda più profonda che può sembrare completamente al di fuori dell'ambito della fisica delle particelle. Ma il nostro nuovo esperimento al Large Hadron Collider al CERN ci ha avvicinato alla risposta. Per capire perché esistiamo, devi prima andare 13,8 miliardi di anni fa, al tempo del Big Bang. Questo evento ha prodotto una quantità uguale della sostanza di cui siamo fatti e dell'antimateria.
Si ritiene che ogni particella abbia un partner di antimateria, che è quasi identico ad esso, ma ha la carica opposta. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichiliscono - scompaiono in un lampo di luce.
Dov'è tutta l'antimateria?
Perché l'universo che vediamo è composto interamente di materia è uno dei più grandi misteri della fisica moderna. Se una volta ci fosse una quantità uguale di antimateria, tutto nell'universo si annienterebbe. E così, uno studio pubblicato di recente sembra aver trovato una nuova fonte di asimmetria tra materia e antimateria.
Arthur Schuster fu il primo a parlare di antimateria nel 1896, poi nel 1928 Paul Dirac le diede una base teorica e nel 1932 Karl Anderson la scoprì sotto forma di antielettroni, chiamati positoni. I positroni nascono in processi radioattivi naturali, come il decadimento del potassio-40. Ciò significa che una banana normale (contenente potassio) emette un positrone ogni 75 minuti. Quindi si annichilisce con gli elettroni nella materia, producendo luce. Anche le applicazioni mediche come gli scanner PET producono antimateria in un processo simile.
I principali elementi costitutivi della sostanza di cui sono composti gli atomi sono particelle elementari: quark e leptoni. Esistono sei tipi di quark: alto, basso, strano, incantato, vero e bello. Allo stesso modo, ci sono sei leptoni: elettrone, muone, tau e tre tipi di neutrini. Esistono anche copie antimateriali di queste dodici particelle, che differiscono solo per la loro carica.
Le particelle di antimateria, in linea di principio, dovrebbero essere la perfetta immagine speculare dei loro normali satelliti. Ma gli esperimenti dimostrano che non è sempre così. Prendiamo, ad esempio, particelle note come mesoni, che sono composte da un quark e un antiquark. I mesoni neutri hanno una caratteristica sorprendente: possono trasformarsi spontaneamente nel loro anti-mesone e viceversa. In questo processo, un quark si trasforma in un antiquark o un antiquark si trasforma in un quark. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che ciò può accadere più spesso in una direzione che in un'altra, a causa della quale c'è più materia nel tempo che antimateria.
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La terza volta è magica
Tra le particelle contenenti quark, tali asimmetrie sono state trovate solo in quark strani e belli - e queste scoperte sono diventate estremamente importanti. La primissima osservazione di asimmetria che coinvolge strane particelle nel 1964 ha permesso ai teorici di prevedere l'esistenza di sei quark - in un momento in cui ne era nota l'esistenza solo tre. La scoperta dell'asimmetria nelle particelle bellissime nel 2001 è stata la conferma finale del meccanismo che ha portato all'immagine dei sei quark. Entrambe le scoperte hanno guadagnato premi Nobel.
Sia i quark strani che quelli belli portano cariche elettriche negative. L'unico quark caricato positivamente che, in teoria, dovrebbe essere in grado di formare particelle che possono esibire l'asimmetria tra materia e antimateria è quello incantato. La teoria suggerisce che lo fa, il suo effetto dovrebbe essere insignificante e difficile da trovare.
Ma l'esperimento LHCb al Large Hadron Collider è stato in grado di osservare per la prima volta una simile asimmetria nelle particelle chiamate mesoni D, che sono composte da quark incantati. Ciò è reso possibile dalla quantità senza precedenti di particelle incantate prodotte direttamente nelle collisioni all'LHC. Il risultato mostra che la probabilità che si tratti di una fluttuazione statistica è 50 per miliardo.
Se questa asimmetria non nasce dallo stesso meccanismo che porta ad asimmetrie di quark strani e belli, c'è spazio per nuove fonti di asimmetria materia-antimateria, che potrebbero aggiungersi all'asimmetria generale di quelle dell'Universo. E questo è importante, poiché diversi casi noti di asimmetria non possono spiegare perché c'è così tanta materia nell'universo. La scoperta del quark charm da sola non sarà sufficiente per colmare questo problema, ma è un pezzo importante del puzzle per comprendere le interazioni tra particelle fondamentali.
Prossimi passi
Questa scoperta sarà seguita da un aumento del numero di lavori teorici che aiutano nell'interpretazione del risultato. Ma ancora più importante, illustrerà ulteriori test per approfondire la nostra comprensione della nostra scoperta - e alcuni di questi test sono già in corso.
Nel prossimo decennio, l'esperimento LHCb aggiornato aumenterà la sensibilità di tali misurazioni. Sarà completato dall'esperimento Belle II in Giappone, che è appena iniziato.
L'antimateria è anche al centro di una serie di altri esperimenti. Gli antiatomi interi vengono prodotti dall'Antiproton Moderator del CERN e forniscono una serie di esperimenti di misurazione estremamente accurati. L'esperimento AMS-2 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale è alla ricerca di antimateria derivata dallo spazio. Una serie di esperimenti attuali e futuri saranno dedicati alla questione se esista un'asimmetria materia-antimateria tra i neutrini.
Anche se non siamo ancora in grado di svelare completamente il mistero dell'asimmetria tra materia e antimateria, la nostra ultima scoperta ha aperto la porta a un'era di misurazioni precise che possono rivelare fenomeni ancora sconosciuti. Ci sono tutte le ragioni per credere che un giorno i fisici saranno in grado di spiegare perché siamo qui.
Ilya Khel
