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| Particelle ed antiparticelle del modello standard. Immagine da qui |
L'apparente universalità delle leggi della fisica nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.
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 compiere significativi progressi.
1. Dov'è finita l'antimateria?
Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? 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 ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevedebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo 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 dell'annichilazione.
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| Il Big Bang ha avuto una fase di espansione rapidissima. Immagine da qui |
Pertanto le le leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato ad esser 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 ed antimateria? Nesssuno ne ha la più pallida idea.
Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967 tre eventi che si devono esser verificati in passato per portare alla asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario quindi:
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 ad 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. De esser quindi possibile creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni.
[non verificata] Non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone.
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 essere in grado di soddisfare appieno la terza condizione.
Questo post partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".
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