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Perché c’è più materia dell’antimateria?

 

Se dobbiamo elencare le imperfezioni del modello standard – la descrizione della fisica di notevole successo della materia e delle sue interazioni – dobbiamo mettere al primo posto la sua previsione che non esistiamo . Un Universo che non dovrebbe esistere.

Le particelle di materia ampiamente più numerose sembrano essere un piccolo residuo rimasto dopo uno spettacolare spettacolo pirotecnico che si è verificato nel primo secondo dopo il Big Bang. Quel fuggevole momento vide la produzione di quantità esattamente uguali di materia e antimateria, tutte mescolate insieme in un plasma caldo.

Mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava, gli anti-elettroni iniziarono a fondersi con gli elettroni e gli antiprotoni si fondevano con i protoni, convertendoli in particelle di luce. In questo modo, la materia e l’antimateria svanirono, lasciando dietro di sé un Universo pieno di luce … tranne quel piccolo residuo.

Il messaggio è chiaro – qualcosa deve essere intervenuto per evitare che la materia e l’antimateria si annullino perfettamente – e senza di essa non saremmo qui a chiederci questo straordinario Universo.

L’esistenza dell’antimateria fu predetta nel 1928 dal fisico britannico Paul Dirac, vincitore del premio Nobel. L’ abilita di Dirac di ragionamenti puramente matematici fu confermata quattro anni dopo quando Carl Anderson scopri l’antieletrone nel suo laboratorio in California.

Secondo le equazioni di Dirac, l’antimateria dovrebbe comportarsi esattamente come la materia ordinaria, con l’eccezione che dovrebbe portare la carica elettrica opposta. Quella “simmetria” tra materia e antimateria è il motivo per cui sono stati creati in egual misura alla nascita dell’Universo ed è per questo che si sono quasi annullati a vicenda.

Oggi, gli esperimenti di fisica delle particelle e gli ospedali (attraverso l’uso di scanner PET) in tutto il mondo producono abitualmente particelle di antimateria e, nella maggior parte dei casi, si comportano esattamente come previsto da Dirac. Quindi cosa rovina la prospettiva di una perfetta simmetria tra materia e antimateria?

Qualcosa ha portato a un piccolo squilibrio nei numeri materia / antimateria all’inizio dei tempi, con la materia leggermente in testa. Questo squilibrio – chiamato asimmetria materia / antimateria – ci ha dato la materia rimanente che forma tutto nell’Universo, dalle galassie e dalle nuvole di idrogeno a tutti noi.

Trovare la causa dello squilibrio significa trovare un nuovo pezzo di fisica – come una nuova particella o forza – ed è uno dei lavori più eccitanti e stimolanti della fisica delle particelle in questo momento.

Il modo più semplice per finire con un po’ più di materia dell’antimateria è avere processi che li producono in modo un po’ irregolare.

La produzione standard post-Big Bang di materia / antimateria dal raffreddamento di fotoni ad alta energia produce uguali quantità di entrambi, quindi i fotoni non sono la fonte di irregolarità.

Con i fotoni ad alta energia fuori discussione, i candidati più forti per un processo che fornisce leggermente più materia dell’antimateria sono un paio di particelle di materia incredibilmente pesanti: il neutrino pesante e il quark di bellezza(la bellezza è il suo nome d’arte).

Come tutte le particelle super pesanti, questi frammenti di materia sono instabili. Ciò significa che possono esistere solo in ambienti incredibilmente ad alta energia e solo per un tempo incredibilmente breve. Quindi decadono rapidamente attraverso una serie di passaggi in particelle e antiparticelle più piccole e più stabili.

Il sospetto è che le versioni di antimateria di queste particelle superpesanti decadano leggermente diversamente dalle versioni di materia.

Si prevede che il neutrino pesante (se esiste) si tradurrebbe in una particella di materia in più per ogni miliardo di coppie materia / antimateria. Questo è solo 10 volte più della quantità di materia rimanente necessaria dopo il Big Bang per darci il nostro Universo – un risultato abbastanza buono in questo vasto campo di incognite.

La quantità di materia in eccesso che i quark di bellezza potrebbero spiegare è un po’ più difficile da prevedere perché si basa sulle interazioni con una nuova forza o forze che non sono state effettivamente ancora scoperte.

Le teorie sono fantastiche, ma la scienza si basa sull’evidenza. Ricreare condizioni di Big Bang finte che potrebbero formare quark di bellezza o neutrini pesanti è al centro degli acceleratori di particelle in tutto il mondo.

La simmetria è grande in fisica. E il comportamento asimmetrico su questa scala non si adatta al modello matematico standard, quindi trovarlo non aiuterebbe solo a spiegare perché l’Universo non è un mare di luce, significherebbe una modifica o riscrittura del modello standard stesso.

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