In che modo la materia ha guadagnato il vantaggio sull’antimateria nell’universo primordiale? Forse, ma forse, per i neutrini.
Mercoledì gli scienziati hanno annunciato di aver compiuto un passo avanti nella comprensione del perché l’universo contenga qualcosa piuttosto che niente.
Parte della colpa, o del merito, dicono, può appartenere agli elementi più fragili, più strani e più sfuggenti della natura: i neutrini. Queste particelle subatomiche spettrali provengono dal Big Bang, dal sole, da esplosioni di stelle e altre catastrofi cosmiche, inondano l’universo e scivolano attraverso i muri ed i nostri corpi a miliardi ogni secondo, come la luce della luna attraverso una porta schermata.
I neutrini sono gli artisti, in natura, della fuga. Ci hanno aiutato a nascere dal Big Bang? Forse. Recenti esperimenti in Giappone hanno scoperto un’anomalia rivelatrice nel comportamento dei neutrini e i risultati suggeriscono che, tra le spinte della creazione e l’annientamento nei primi momenti dell’universo, queste particelle avrebbero potuto rovesciare l’equilibrio tra la materia e il suo gemello malvagio opposto, antimateria.
Di conseguenza, un universo che è iniziato con un bilancio netto – pari quantità di materia e antimateria – è finito con un eccesso di materia: stelle, buchi neri, oceani e noi.
Un team internazionale di 500 fisici di 12 paesi, noto come T2K Collaboration e guidato da Atsuko K. Ichikawa dell’Università di Kyoto, ha riferito in Nature di aver misurato una leggera ma significativa differenza tra neutrini e loro opposti, antineutrini. Sebbene i dati non siano ancora abbastanza convincenti da costituire una prova solida, fisici e cosmologi sono incoraggiati a suggerire che i ricercatori di T2K sono sulla buona strada.
“Questa è la prima volta che otteniamo un’indicazione della violazione della CP nei neutrini, mai fatta prima”, ha detto Federico Sánchez, fisico dell’Università di Ginevra e portavoce della collaborazione T2K, facendo riferimento al nome tecnico per la discrepanza tra neutrini e antineutrini. “Già questo è un vero punto di riferimento.”
Ma il Dr. Sánchez ed altri studiosi coinvolti asseriscono che sia troppo presto per stappare lo champagne. Ha sottolineato che una discrepanza come questa era solo una delle diverse condizioni che Andrei Sakharov, fisico russo e dissidente vincitore del Premio Nobel per la pace nel 1975, aveva presentato nel 1967 come soluzione al problema della genesi della materia e delle sue successive sopravvivenza.
Non tutte le condizioni sono state ancora soddisfatte. “Questo è solo uno degli ingredienti”, ha detto il dott. Sánchez. Nessuno sa quanto sia necessaria una discrepanza per risolvere il problema materia-antimateria. “Ma chiaramente questo va nella giusta direzione”, ha detto.
In un commento su Nature, Silvia Pascoli della Durham University in Inghilterra e Jessica Turner del Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois, hanno definito la misurazione “innegabilmente eccitante”.
“Questi risultati potrebbero essere le prime indicazioni dell’origine dell’asimmetria materia-antimateria nel nostro universo”, hanno scritto.
Il team giapponese ha stimato il significato statistico del loro risultato come “3-sigma”, il che significa che aveva una possibilità su 1.000 di essere, semplicemente, un colpo di fortuna. Quelle probabilità possono sembrare buone, ma lo standard in fisica è 5-sigma, il che significherebbe meno di una possibilità su un milione di errori.
“Se questo è corretto, i neutrini sono fondamentali per la nostra esistenza”, ha affermato Michael Turner, un cosmologo che ora lavora per la Fondazione Kavli e non fa parte dell’esperimento. Ma, ha aggiunto, “questa non è la grande scoperta”.
Joseph Lykken, vicedirettore per la ricerca presso Fermilab, ha affermato di essere stato felice di vedere un risultato scientifico importante uscire in un momento così terribile. “La collaborazione T2K ha lavorato molto duramente e ha fatto un ottimo lavoro per ottenere il massimo dal loro esperimento”, ha detto. “Una delle maggiori sfide della fisica moderna è determinare se i neutrini sono la ragione per cui la materia ha avuto un vantaggio sull’antimateria nell’universo primordiale”.
Siamo il marchio di fabbrica dell’universo
In un universo perfetto, noi non esisteremmo.
Secondo i dettami della relatività di Einstein e le leggi sconcertanti della teoria quantistica, nel Big Bang avrebbero dovuto essere creati uguali numeri di particelle e dei loro opposti, antiparticelle, che hanno messo in moto il cosmo. Ma quando la materia e l’antimateria si incontrano, si annichilano a vicenda, producendo pura energia. (Il concetto, tra gli altri, è ciò che alimenta i motori dell’astronave Enterprise.) Pertanto, l’universo dovrebbe essere privo di materia.
Non è successo, in parte. Della popolazione originale di protoni ed elettroni nell’universo, circa una particella su un miliardo sopravvisse ai primi secondi della creazione. Ciò è bastato a popolare i cieli con stelle, pianeti e noi.
Nel 1967 il dott. Sakharov stabilì una prescrizione su come materia e antimateria avrebbero potuto sopravvivere al loro patto di distruzione reciproca. Una condizione è che le leggi della natura potrebbero non essere simmetriche come ipotizzavano fisici come Einstein.
In un universo puramente simmetrico, la fisica dovrebbe funzionare allo stesso modo se tutte le particelle cambiassero le loro cariche elettriche da positive a negative o viceversa – e, allo stesso modo, se le coordinate di tutto fossero scambiate da sinistra a destra, come in uno specchio. La violazione di queste condizioni – chiamate invarianza di carica e parità, abbreviazione di C e P – farebbe agire diversamente la materia e l’antimateria.
Nel 1957, Tsung-Dao Lee della Columbia University e Chen Ning Yang, all’Institute for Advanced Study, vinsero il premio Nobel per la fisica per aver proposto qualcosa del genere. Hanno suggerito che alcune “interazioni deboli” potrebbero violare la regola della parità, e gli esperimenti di Chien-Shiung Wu della Columbia (non le è stato assegnato il Nobel) hanno confermato la teoria. La natura, in un certo senso, è mancina.
Nel 1964, un gruppo guidato da James Cronin e Val Fitch, che lavoravano al Brookhaven National Laboratory di Long Island, scoprì che alcune particelle chiamate kaon violavano sia le condizioni di carica che di parità, rivelando una differenza rivelatrice tra materia e antimateria. Questi scienziati hanno anche vinto un Nobel.
Da allora sono stati trovati accenni di discrepanza tra materia e antimateria nel comportamento di altre particelle chiamate mesoni B, negli esperimenti al CERN e altrove.
“In una prospettiva più ampia, la violazione della CP è un grosso problema”, ha detto il dott. Turner. “È per questo che siamo qui!”
Sia i kaoni che i mesoni B sono fatti di quark, gli stessi tipi di particelle che formano protoni e neutroni, i mattoni della materia ordinaria.
I neutrini potrebbero cambiarlo. “Molti teorici ritengono che trovare la violazione della CP e studiare le sue proprietà nel settore dei neutrini potrebbe essere importante per comprendere uno dei grandi misteri cosmologici”, ha dichiarato Guy Wilkinson, un fisico di Oxford che lavora all’esperimento LHCb del CERN, che si dedica all’antimateria problema. Capo di quei misteri, ha detto: “Perché la materia e l’antimateria non sono state annientate nel Big Bang?”
