Un “errore di danza” tra materia e antimateria spiega l’esistenza
Una minuscola imperfezione nell'equilibrio tra materia e antimateria potrebbe spiegare perché esistiamo. Il CERN ha appena trovato questa asimmetria nei barioni beauty-lambda. L'articolo Un “errore di danza” tra materia e antimateria spiega l’esistenza è tratto da Futuro Prossimo.
Esistiamo per un errore. O meglio, per una piccola imperfezione. Non è poetico pensare che tutto ciò che conosciamo (dalle stelle alle montagne, dai cani ai panini al prosciutto) è qui perché qualcosa tra materia e antimateria non ha funzionato come previsto? Eppure è proprio quello che gli scienziati del CERN stanno cercando di dimostrarci, con un’ostinazione quasi commovente.
L’ultimo capitolo di questa ricerca arriva da La Thuile, nella splendida Val d’Aosta, in Italia, dove i fisici hanno annunciato di aver finalmente osservato una sottile ma significativa asimmetria nel comportamento di particelle chiamate barioni beauty-lambda e dei loro gemelli di antimateria. Una piccola differenza che potrebbe spiegare uno dei più grandi misteri dell’universo: perché siamo qui, invece che non esserci affatto.
Il mistero della “relazione complicata” tra materia e antimateria
Secondo tutto quello che sappiamo sulla fisica, il Big Bang avrebbe dovuto produrre materia e antimateria in quantità esattamente uguali. Un bel party di inaugurazione dell’universo con lo stesso numero di invitati per entrambe le fazioni, per così dire. Eppure, guardatevi intorno: l’antimateria è praticamente “scomparsa”, mentre la materia ha formato tutto ciò che vediamo oggi. Dalle galassie ai pianeti, dai caffè del mattino ai gattini sul web, tutto è fatto di materia.
Mi piace pensare a questa situazione come a un’elezione cosmica dove uno dei candidati ha vinto con il 100% dei voti. Un risultato che farebbe alzare più di un sopracciglio agli osservatori internazionali, non trovate? La natura, evidentemente, non è una grande democratica.
Quando le particelle rompono lo specchio
La spiegazione a questa apparente ingiustizia cosmica potrebbe risiedere in qualcosa chiamato “violazione CP”. Immaginate un universo perfettamente simmetrico, dove ogni particella ha un’antiparticella gemella con caratteristiche esattamente opposte. Se osservate attraverso uno specchio e invertite tutte le cariche elettriche, le leggi della fisica dovrebbero apparire esattamente le stesse. Questo è ciò che i fisici chiamano “simmetria CP”.
Ma la natura, con la sua tipica inclinazione a rovinare le belle teorie, ha deciso che questa simmetria non è sacra. Le particelle e le antiparticelle non si comportano esattamente allo stesso modo, e questa piccola differenza potrebbe aver fatto pendere la bilancia a favore della materia nei primi istanti dopo il Big Bang.
L’antimateria, per quanto ne sappiamo, non è altro che materia con il segno meno davanti. Come quel parente che fa sempre il contrario di quello che gli dici, per principio. Affascinante nella teoria, ma piuttosto scomodo da avere attorno, specialmente se avete a cuore la vostra integrità molecolare.
La svolta nei barioni beauty-lambda
Finora, la violazione CP era stata osservata solo nei mesoni, particelle composte da un quark e un antiquark. Vincenzo Vagnoni, portavoce dell’esperimento LHCb tenuto il 24 marzo scorso, spiega perché c’è voluto così tanto tempo per osservare lo stesso fenomeno nei barioni:
“La ragione per cui ci è voluto più tempo per osservare la violazione CP nei barioni rispetto ai mesoni è dovuta all’entità dell’effetto e ai dati disponibili. Avevamo bisogno di una macchina come l’LHC capace di produrre un numero sufficientemente grande di barioni lambda-beauty e delle loro controparti di antimateria.”
Il barione bottom lambda (detto anche “beauty”) è come un cugino più pesante e dalla vita breve dei protoni e neutroni che formano gli atomi. È composto da un quark up, un quark down e un quark beauty. Lo so, i fisici delle particelle non brillano per originalità nei nomi, ma compensano con la precisione matematica.
Avete presente quando contate meticolosamente i vostri scontrini per capire dove sono finiti i vostri soldi a fine mese? Ecco, i fisici del CERN hanno fatto qualcosa di simile, ma con particelle subatomiche. Hanno analizzato enormi quantità di dati raccolti dal rivelatore LHCb durante il primo e il secondo ciclo di funzionamento dell’LHC (dal 2009 al 2013 e dal 2015 al 2018), alla ricerca di differenze nel modo in cui i barioni lambda-beauty e i loro gemelli di antimateria si decompongono in particelle più leggere.
I numeri che cambiano tutto nella danza tra materia e antimateria
La scoperta è sottile, ma significativa: la differenza tra il numero di decadimenti di Λb e anti-Λb, divisa per la somma dei due, differisce dallo zero del 2,45%, con un’incertezza di circa lo 0,47%. In termini statistici, il risultato differisce da zero di 5,2 deviazioni standard, superando la soglia necessaria per affermare l’esistenza della violazione CP in questo decadimento barionico.
Per i non addetti ai lavori, è come notare che in un mazzo di carte perfettamente mescolato, le carte rosse escono leggermente più spesso delle nere. Una differenza così piccola che potreste non notarla in una serata di poker, ma che diventa evidente se giocate abbastanza mani. E quando si tratta dell’universo, anche la più piccola asimmetria può avere conseguenze enormi se moltiplicata per miliardi di anni.
Mi piace immaginare l’universo primordiale come una gigantesca sala da ballo cosmica, dove particelle e antiparticelle danzano freneticamente, annichilendosi a vicenda quando si incontrano. Se la danza fosse perfettamente simmetrica, alla fine non rimarrebbe nessuno sulla pista. Ma quella piccola imperfezione nella coreografia ha fatto sì che alcuni ballerini di materia rimanessero senza partner, formando tutto ciò che vediamo oggi. Una sfortuna provvidenziale.
Oltre il modello standard con materia e antimateria
La cosa più intrigante è che nemmeno questa violazione CP, per quanto confermata, è sufficiente a spiegare perché l’universo contiene così tanta materia e così poca antimateria. Il Modello Standard della fisica delle particelle, il nostro migliore tentativo di descrivere come funziona l’universo a livello subatomico, prevede una violazione CP troppo piccola per giustificare l’asimmetria osservata.
Questo suggerisce che potrebbero esistere nuove fonti di violazione CP oltre quelle previste dal Modello Standard, la cui ricerca è parte importante del programma di fisica dell’LHC e continuerà nei suoi “successori”.
Joachim Mnich, direttore per la ricerca e l’informatica del CERN, commenta:
“Mi congratulo con la collaborazione LHCb per questo risultato entusiasmante. Sottolinea ancora una volta il potenziale scientifico dell’LHC e dei suoi esperimenti, e offre un nuovo strumento con cui esplorare l’asimmetria materia-antimateria nell’Universo.”
Particelle elementari, la caccia continua
La ricerca, lo avrete capito, è tutt’altro che conclusa. Gli scienziati continueranno a cercare ulteriori prove di violazione CP in altri sistemi di particelle, nella speranza di costruire un quadro più completo di come l’asimmetria tra materia e antimateria abbia plasmato l’universo.
Mi piace pensare che stiamo finalmente iniziando a capire perché esistiamo, anziché non esistere affatto. Una questione non da poco, considerando che la maggior parte di noi passa più tempo a preoccuparsi dell’ultimo aggiornamento dello smartphone che a riflettere sulla propria fortuna di esistere.
Perché si, possiamo accontentarci di sapere che esistiamo grazie a un errore. Ma che errore magnifico è stato. Senza, non saremmo qui a raccontarlo. E non esisterebbero nemmeno certi commenti sui social, il che, a pensarci bene, potrebbe non essere stata una grande perdita.
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