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4 ottobre 2008

Qualcosa piuttosto che niente, ovvero la strana asimmetria tra materia e antimateria

Ogni particella elementare ha un doppio, una particella identica ma speculare, una specie di negazione di se stessa che ha la stessa massa ma carica elettrica opposta: un'antiparticella. Per esempio, l'antiparticella dell'elettrone, il positrone, è identica all'elettrone ma ha carica elettrica positiva. Quando una particella e la propria antiparticella si incontrano, si cancellano a vicenda: spariscono nel nulla generando l'energia corrispondente alle loro masse, secondo la famosa formula di Einstein E=mc2. (La produzione di energia è talmente efficiente che se mettete insieme abbastanza materia e antimateria potete far andare i motori dell'Enterprise di Star Trek. Peccato che la produzione di un milligrammo di antimateria costi 300 miliardi di dollari e che gestirla - in un mondo fatto di materia - sia un tantino complicato.)

Nell'universo primordiale, le energie erano così alte che poteva anche succedere il contrario: coppie di particelle e antiparticelle venivano create in continuazione dal nulla, spontaneamente. A un certo punto, però, l'energia nell'universo è diminuita al punto che le coppie potevano solo cancellarsi a vicenda, senza che se ne creassero di nuove. Circa un secondo dopo il Big Bang, c'è stata una generale annichilazione, un'ecatombe di particelle e antiparticelle. E a questo punto è successo qualcosa di strano.

Per ogni miliardo di coppie, c'era una particella di materia spaiata, che non ha trovato un doppio con cui cancellarsi. A questa lieve asimmetria dobbiamo la presenza di tutta la materia nell'universo e quindi la nostra stessa esistenza. (La radiazione prodotta nell'obliterazione delle coppie è andata a formare l'onnipresente fondo cosmico). Il motivo esatto dell'asimmetria, però, ancora ci sfugge. Ci aspetteremmo che le leggi della fisica non cambino quando si effettuano alcune operazioni di simmetria fondamentali; ma non è così. Per esempio, se cambiamo il segno delle cariche di tutte le particelle (un'operazione detta coniugazione di carica, che si indica col simbolo C) le interazioni gravitazionali, elettromagnetiche e nucleare forte restano invariate, ma l'interazione nucleare debole manifesta un'asimmetria. Lo stesso accade quando si cambia il segno di tutte le coordinate spaziali; un po' come se guardassimo il mondo in uno specchio, ma scambiando anche alto e basso (un'operazione detta parità, che si indica col simbolo P). Anche in questo caso, l'interazione nucleare debole è asimmetrica, e sa distinguere la destra dalla sinistra.

Il fatto che noi siamo fatti di materia piuttosto che di antimateria, e soprattutto che nell'universo ci sia qualcosa invece che soltanto un mare di energia, deve essere dovuto, tra le altre cose, alla simultanea violazione delle simmetrie C e P nell'universo primordiale. Nonostante la violazione di CP sia stata osservata sperimentalmente, ancora una volta limitatamente all'interazione debole, questa violazione è talmente piccola che la corrispondente asimmetria tra materia e antimateria spiegherebbe l'esistenza soltanto di una minuscola parte di tutta la materia osservata nell'universo. E sebbene siano state fatte diverse ipotesi alternative, nessuna di queste ipotesi è stata ancora verificata in laboratorio.

Un fatto che diamo per scontato, come l'esistenza della materia nell'universo, è quindi un mistero che per ora la fisica non sa spiegare.
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