Quando guardiamo l'Universo, tutti i suoi pianeti e stelle, galassie e ammassi, gas, polvere, plasma, vediamo le stesse firme ovunque. Vediamo linee di assorbimento ed emissione atomica, vediamo che la materia interagisce con altre forme di materia, vediamo la formazione stellare e la morte di stelle, collisioni, raggi X e molto altro. C'è una domanda ovvia che richiede una spiegazione: perché stiamo vedendo tutto questo? Se le leggi della fisica dettano la simmetria tra materia e antimateria, l'universo che osserviamo non dovrebbe esistere.
Ma siamo qui e nessuno sa perché.
Perché non c'è antimateria nell'universo?
Pensa a questi due fatti apparentemente contrastanti:
- ogni volta che creiamo un quark o un leptone, creiamo anche un antiquark e un antilepton;
- ogni volta che un quark o un leptone viene distrutto, viene distrutto anche un antiquark o un antilepton;
- i leptoni e gli antileptoni creati o distrutti devono essere in equilibrio nell'intera famiglia summerpon e ogni volta che un quark o un leptone interagiscono, entrano in collisione o si decompongono, il numero totale di quark e leptoni alla fine della reazione (quark meno antiquark, leptoni meno antileptoni) dovrebbe e sarà lo stesso che era all'inizio.
L'unico modo per cambiare la quantità di materia nell'universo era anche cambiare la quantità di antimateria della stessa quantità.
Eppure c'è un secondo fatto.
Ma non vediamo alcun segno di distruzione della materia da parte dell'antimateria su scala più ampia. Non vediamo alcun segno che alcune delle stelle, galassie o pianeti che osserviamo siano fatti di antimateria. Non vediamo i raggi gamma caratteristici che ci si aspetterebbe di vedere se l'antimateria entrasse in collisione con la materia e si annichilisse. Invece, vediamo solo la materia ovunque guardiamo.
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E sembra impossibile. Da un lato, non esiste un modo noto per produrre più materia dell'antimateria osservando le particelle e le loro interazioni nell'universo. D'altra parte, tutto ciò che vediamo è sicuramente fatto di materia, non di antimateria.
In effetti, abbiamo osservato l'annientamento di materia e antimateria in alcune condizioni astrofisiche estreme, ma solo vicino a sorgenti iperenergetiche che producono materia e antimateria in quantità uguali - i buchi neri, per esempio. Quando l'antimateria si scontra con la materia nell'universo, produce raggi gamma di frequenze molto specifiche, che possiamo quindi rilevare. Il mezzo intergalattico interstellare è pieno di materiale e la completa assenza di questi raggi gamma è un segnale forte che non ci saranno mai molte più particelle di antimateria, poiché verrebbe scoperta la firma della materia di antimateria.
Se lanci una particella di antimateria nella nostra galassia, durerà circa 300 anni prima di essere distrutta da una particella di materia. Questa limitazione ci dice che la quantità di antimateria nella Via Lattea non può superare 1 particella per quadrilione (1015), rispetto alla quantità totale di materia.
Su larga scala - la scala delle galassie satelliti, grandi galassie delle dimensioni della Via Lattea e persino ammassi di galassie - i vincoli sono meno rigidi, ma comunque molto forti. Osservando distanze che vanno da pochi milioni di anni luce a tre miliardi di anni luce, abbiamo osservato una carenza di raggi X e raggi gamma che potrebbero indicare l'annientamento di materia e antimateria. Anche su larga scala cosmologica, il 99,999% di ciò che esiste nel nostro universo sarà sicuramente rappresentato dalla materia (così come siamo) e non dall'antimateria.
Come siamo finiti in una situazione tale che l'Universo è costituito da una grande quantità di materia e praticamente non contiene antimateria, se le leggi della natura sono assolutamente simmetriche tra materia e antimateria? Bene, ci sono due opzioni: o l'Universo è nato con più materia che antimateria, o qualcosa è accaduto in una fase iniziale, quando l'Universo era molto caldo e denso, e ha dato origine a un'asimmetria di materia e antimateria, che originariamente non esisteva.
La prima idea non può essere testata scientificamente senza ricreare l'intero Universo, ma la seconda è molto convincente. Se il nostro Universo in qualche modo ha creato un'asimmetria di materia e antimateria dove non era originariamente, allora le regole che funzionavano allora rimarranno invariate oggi. Se siamo abbastanza intelligenti, possiamo sviluppare test sperimentali che rivelano l'origine della materia nel nostro universo.
Alla fine degli anni '60, il fisico Andrei Sakharov ha identificato tre condizioni richieste per la bariogenesi, o la creazione di più barioni (protoni e neutroni) che antibarioni. Eccoli:
- L'universo deve essere un sistema di non equilibrio.
- Deve avere una violazione C e CP.
- Devono esserci interazioni che violano il numero barionico.
Il primo è facile da osservare, poiché un Universo in espansione e raffreddamento con particelle instabili (e antiparticelle), per definizione, sarà fuori equilibrio. Il secondo è anche semplice, perché la simmetria C (che sostituisce le particelle con antiparticelle) e la simmetria CP (che sostituisce le particelle con antiparticelle riflesse specularmente) si rompono in molte interazioni deboli che coinvolgono quark strani, affascinanti e belli.
La domanda rimane come rompere il numero barionico. Abbiamo osservato sperimentalmente che l'equilibrio tra quark e antiquark e tra leptoni e antileptoni è chiaramente preservato. Ma nel modello standard della fisica delle particelle non esiste una legge di conservazione esplicita per nessuna di queste quantità separatamente.
Ci vogliono tre quark per creare un barione, quindi per ogni tre quark assegniamo un numero barione (B) 1. Allo stesso modo, ogni leptone riceverà un numero leptonico (L) 1. Antiquark, antibaryons e antileptons avranno numeri B e L negativi.
Ma secondo le regole del Modello Standard, rimane solo la differenza tra barioni e leptoni. Nelle giuste circostanze, non solo puoi creare protoni aggiuntivi, ma anche elettroni. Le circostanze esatte sono sconosciute, ma il Big Bang ha dato loro l'opportunità di essere realizzate.
Le primissime fasi dell'esistenza dell'Universo sono descritte da energie incredibilmente elevate: abbastanza alte da creare ogni particella e antiparticella conosciuta in grandi quantità secondo la famosa formula di Einstein E = mc2. Se la creazione e la distruzione di particelle funzionasse come pensiamo, l'universo primordiale dovrebbe essere riempito con un numero uguale di particelle di materia e antimateria che si trasformano reciprocamente l'una nell'altra, poiché l'energia disponibile rimane estremamente alta.
Man mano che l'universo si espande e si raffredda, le particelle instabili, una volta create in abbondanza, collasseranno. Se vengono soddisfatte le giuste condizioni - in particolare le tre condizioni degli zuccheri - questo può portare a un eccesso di materia sull'antimateria, anche se inizialmente non ce n'era. La sfida per i fisici è creare uno scenario praticabile, coerente con l'osservazione e la sperimentazione, che possa darti abbastanza materia in eccesso sull'antimateria.
Ci sono tre possibilità principali per questo eccesso di materia sull'antimateria:
- La nuova fisica sulla scala elettrodebole potrebbe aumentare in modo significativo la quantità di violazione di C e CP nell'Universo, il che porterà ad asimmetrie tra materia e antimateria. Le interazioni SM (tramite il processo dello sfalero) che violano B e L individualmente (ma mantengono B - L) possono creare i volumi desiderati di barioni e leptoni.
- La nuova fisica dei neutrini ad alta energia a cui l'universo accenna potrebbe creare un'asimmetria fondamentale dei leptoni: la leptogenesi. Gli sfaleroni che conservano B - L potrebbero quindi utilizzare l'asimmetria leptonica per creare l'asimmetria barionica.
- O la bariogenesi sulla scala della grande unificazione, se la nuova fisica (e nuove particelle) esistono sulla scala della grande unificazione, quando la forza elettrodebole è combinata con quella forte.
Questi scenari hanno elementi in comune, quindi diamo uno sguardo all'ultimo, giusto per fare un esempio, per capire cosa potrebbe essere successo.
Se la teoria della grande unificazione è corretta, devono esserci nuove particelle superpesanti chiamate X e Y che hanno proprietà sia barioniche che leptoniche. Dovrebbero esserci anche i loro partner dell'antimateria: anti-X e anti-Y, con numeri B - L opposti e cariche opposte, ma con la stessa massa e durata. Queste coppie particella-antiparticella possono essere create in grandi quantità a energie sufficientemente elevate da decadere successivamente.
Quindi riempiamo l'universo con loro e poi si disintegrano. Se abbiamo violazioni di C e CP, potrebbero esserci lievi differenze nel modo in cui le particelle e le antiparticelle (X, Y e anti-X, anti-Y) decadono.
Se la particella X ha due percorsi: decadimento in due quark up o in due quark anti-down e un positrone, allora anti-X deve passare attraverso due percorsi corrispondenti: due quark anti-up o un quark down e un elettrone. C'è un'importante differenza che è consentita quando C- e CP sono rotti: X può decadere più facilmente in due quark up che anti-X in due quark anti-up, mentre è più probabile che l'anti-X decada in quark down e un elettrone di X - in un quark anti-up e un positrone.
Se hai abbastanza coppie e decadono in questo modo, puoi facilmente ottenere un eccesso di barioni sugli antibarioni (e leptoni sugli antileptoni) dove prima non ce n'erano.
Questo è solo un esempio per illustrare la nostra comprensione di ciò che è accaduto. Abbiamo iniziato con un universo completamente simmetrico, obbedendo a tutte le leggi note della fisica, e con uno stato caldo, denso e ricco pieno di materia e antimateria in quantità uguali. Attraverso un meccanismo che dobbiamo ancora determinare, obbedendo alle tre condizioni di Sakharov, questi processi naturali alla fine hanno creato un eccesso di materia sull'antimateria.
Il fatto che esistiamo e siamo fatti di materia è innegabile; la domanda è perché il nostro Universo contiene qualcosa (materia) e non niente (dopotutto, materia e antimateria erano equamente divise). Forse in questo secolo troveremo la risposta a questa domanda.
Ilya Khel
