Un’asimmetria tra materia e antimateria, scoperta storica al CERN che potrebbe portare a una nuova Fisica
Siamo un passo più vicini a comprendere come l’Universo abbia evitato un’apocalisse di antimateria. Gli scienziati del CERN hanno infatti scoperto indizi interessanti di una differenza fondamentale nel modo in cui la fisica gestisce materia e antimateria. Gli esperimenti condotti al Large Hadron Collider (LHC) hanno verificato un’asimmetria tra materia e antimateria di una particella chiamata barione. Noto come violazione di carica-parità (CP), l’effetto è stato precedentemente rilevato solo in un’altra classe di particelle, i mesoni. Ma le prove sperimentali nei barioni, che costituiscono la maggior parte della materia dell’Universo, sono qualcosa che i fisici cercano da tempo e che ora hanno finalmente trovato in uno studio pubblicato sulla rivista Nature.
“Ciò dimostra che le sottili differenze tra materia e antimateria esistono in una gamma più ampia di particelle, il che indica che le leggi fondamentali della fisica trattano i barioni e gli antibarioni in modo diverso”, spiega Xueting Yang, fisico del CERN e primo autore dello studio. “L’asimmetria materia-antimateria nell’Universo richiede la violazione di CP nei barioni, per cui la scoperta rappresenta un passo fondamentale in avanti nel verificare quanto sia completa la nostra teoria attuale e nell’esplorare se nuova fisica potrebbe nascondersi in luoghi che non abbiamo osservato abbastanza attentamente in precedenza”, aggiunge. Per arrivare a questa scoperta, il team ha analizzato circa 80.000 eventi di decadimento di particelle nei dati raccolti presso l’LHC tra il 2011 e il 2018. Concentrandosi sulle particelle chiamate barioni lambda-beauty (Λb) e sulle loro controparti di antimateria, i ricercatori hanno cercato qualsiasi traccia di una differenza nel modo in cui decadevano.
Se CP fosse simmetrico, sia la forma materia che quella antimateria della particella dovrebbero decadere negli stessi prodotti, anche se speculari. Tuttavia, il team ha scoperto una differenza relativa del 2,5 per cento tra il decadimento barionico della materia e quello dell’antimateria. “Può sembrare poco, ma i risultati sono statisticamente significativi”, afferma Yang. “Dimostrano che Λb e anti-Λb non decadono esattamente allo stesso modo, fornendo un’osservazione della violazione di CP nei barioni”, aggiunge. È importante sottolineare che la scoperta ha raggiunto una significatività statistica di 5,2 sigma. Questo significa che la probabilità che l’effetto osservato derivi da fluttuazioni casuali è di appena 1 su 10 milioni. La scoperta ha importanti implicazioni per la fisica, tra cui domande fondamentali come “perché siamo qui?”. Nonostante il suo nome inquietante, l’antimateria dovrebbe essere una cosa comune. La sua principale differenza rispetto alla materia è la carica opposta. Ma questo dettaglio apparentemente irrilevante significa che, se mai le due dovessero incontrarsi, si annienterebbero a vicenda in un’esplosione di energia.
In teoria, il Big Bang non avrebbe dovuto favorire l’una rispetto all’altra, creando materia e antimateria in egual misura. E se così fosse stato, l’intero contenuto dell’Universo sarebbe esploso nell’oblio nei primi istanti della sua esistenza, lasciando il cosmo un luogo profondamente vuoto. Visto che ovviamente tutto questo non è accaduto, sembra che un fattore sconosciuto sia intervenuto, facendo sì che si creasse una quantità di materia leggermente superiore all’antimateria. Insomma tutto quello che esiste oggi – dalle galassie ai granelli di sabbia – è composto da quella minuscola frazione sopravvissuta all’annichilazione iniziale. Secondo le leggi della fisica, in un Universo semplice, invertendo sia la carica che le coordinate spaziali di una particella (in pratica, se si tratta di materia o antimateria) non dovrebbe cambiare il suo comportamento.
Questo coModello Standardncetto è noto come simmetria CP e, sebbene un tempo fosse considerato immutabile come la conservazione dell’energia, un certo livello di violazione della CP è stato previsto dal della fisica sin dalla metà del XX secolo. “La violazione di CP è uno degli ingredienti essenziali per spiegare l’asimmetria materia-antimateria”; afferma Yang. “Tuttavia, i fisici stimano che l’entità della violazione di CP in natura debba essere molto maggiore di quanto previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. Questo – continua – suggerisce fortemente che debba esistere una nuova fisica al di là del Modello Standard, fornendo ulteriori fonti di violazione di CP. Studiare la violazione di CP in diversi sistemi, inclusi i barioni, fornisce un importante test del Modello Standard e potrebbe offrire indizi di una nuova fisica al di là di esso”.
Ad esempio, c’era la possibilità che l’antimateria potesse essere respinta dalla gravità anziché attratta, il che significa che sarebbe caduta verso l’alto. Per testare l’idea, i fisici del CERN hanno precedentemente condotto test di “caduta” e hanno scoperto che l’antimateria cade verso il basso, come la materia normale. In questo senso, non si è verificata alcuna violazione della legge di polarizzazione. Ma la nuova scoperta rivela che qualcosa effettivamente causa il decadimento della materia e dell’antimateria in modi diversi. Questa conferma, attesa da tempo, è entusiasmante, ma non è ancora sufficiente. “La violazione di CP osservata nei decadimenti barionici è coerente con le previsioni del Modello Standard, quindi non fornisce una violazione di CP sufficiente a risolvere da sola il puzzle materia-antimateria”, afferma Yang. “Ma apre una nuova finestra sul comportamento della violazione di CP nel settore barionico, che era in gran parte inesplorato”, aggiunge. I fisici stanno cercando nuove fonti di violazione di CP, che vadano oltre quanto previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. La scoperta di tali fonti potrebbe portare a una nuova Fisica.
Valentina Arcovio
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