Razzismo astrofisico: l’asimmetria materia-antimateria nell’Universo

la prima osservazione di un positrone, conferma sperimentale dell’esistenza dell’antimateria.
la prima osservazione di un positrone, conferma sperimentale dell’esistenza dell’antimateria.
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Le antiparticelle sono quasi identiche alle particelle di materia normale: la principale differenza è che hanno carica elettrica opposta. Quando una particella si scontra con un’antiparticella si ha la totale conversione di massa in energia, producendo due raggi gamma. Questo fenomeno è usato quotidianamente nella PET (Positron Emission Tomography – Tomografia a emissione di positroni) per la diagnostica di tumori e di altre malattie in cui lo studio della vascolarizzazione è importante.

Tuttavia, l’apparente universalità e simmetria delle leggi della fisica nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha avuto luogo nei primi istanti di vita dell’universo e quello che vediamo oggi.

Questi apparenti paradossi – al momento irrisolti – sono oggetto di ricerca da svariati decenni, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, senza che però si sia riusciti a rispondere a tutte le domande.

Dov’è finita l’antimateria?

Perché la materia “ordinaria” (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è solo il 4% della massa dell’Universo? E perché l’universo è costituito solo di materia e non anche di antimateria? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso.

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano, infatti, una simmetria tra materia e antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano creare materia e antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevederebbero un Universo costituito da uguali quantità di materia e antimateria. L’Universo, invece, appare costituito da sola materia:  infatti, se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma prodotti dall’annichilazione delle coppie particella-antiparticella.

Pertanto, le leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato a essere valide solo dopo un certo tempo dal Big Bang. Quali leggi più generali e ancora ignote erano valide prima? Come hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia e antimateria? Nessuno attualmente ne ha la più pallida idea.

Lo scienziato e dissidente sovietico Andrej Sacharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, nel 1967 indicò tre eventi che devono essersi verificati in passato per portare all’asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario:

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando.  [verificata]: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase, detta di inflazione, in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito a una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.

2) che non si conservi il numero barionico: deve essere possibile creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni. [non verificata] Attualmente non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico.

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la legge simmetria di carica e parità (CP). [appena accennata] La forza debole, responsabile del decadimento nucleare beta (che emette elettroni o positroni), può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però di gran lunga troppo piccola per poter aver prodotto, nei primi istanti di vita dell’Universo, l’attuale asimmetria materia-antimateria.

Il fisico e dissidente russo Andrej Sacharov (immagine da wikimedia)
Il fisico e dissidente russo Andrej Sacharov (immagine da wikimedia)

Vi è quindi una discrepanza enorme tra mondo microscopico e macroscopico. Per questo i diversi esperimenti che studiano antiatomi, o quello più recente che ha misurato la forza tra gli antiprotoni sono fondamentali per capire cosa abbia creato un Universo fatto di materia e non uno di antimateria.

ps il razzismo astrofisico originale è una battuta di Vulvia-Guzzanti riferito ai buchi neri che nessuno vede

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