Antimateria: un'asimmetria di fondo


    Trattando argomenti di fisica delle particelle, uno degli ostacoli più ostici da affrontare per raggiungere il nostro interlocutore è quella di concretizzare il discorso; ci troviamo infatti nell'ambito dell'infinitamente piccolo, di qualcosa difficile da osservare in modo diretto e, come se non bastasse, governato per lo più da leggi aleatorie, diversamente dai fenomeni macroscopici che osserviamo quotidianamente ad occhio nudo.

    [inline: 1=Immagine - 1 - Foto artistica sull'asimmetria] Immagine - 1 - foto artistica sull'asimmetria

    Nel caso dell'antimateria le cose si complicano ulteriormente poiché parliamo di un'entità oggettivamente assente nel mondo che ci circonda, e si tratta di un'assenza apparentemente in contrasto con lo scenario descritto daLla teoria cosmologica attualmente più accreditata: il Big Bang.

    Questo termine suona ormai familiare anche ai non addetti ai lavori e rappresenta la "grande esplosione" che avrebbe dato origine all'Universo in cui viviamo, segnando l'inizio del tempo con una singolarità corrispondente a temperatura e densità infinite; identifica inoltre tutta la teoria basata su questo evento primordiale secondo cui, nell'istante immediatamente successivo allo scoppio, dovevano esistere uguali quantità di materia ed antimateria.

    Prima di proseguire è necessario soffermarsi sul tipo di interazione che intercorre fra materia e antimateria; nel dettaglio: cosa succede quando una particella incontra la propria antiparticella?

    La reazione che si verifica è nota con il nome di annichilazione e consiste nel reciproco annientamento delle due entità entrate in collisione con la conseguente conversione delle masse in energia, secondo la nota equazione di Einstein:

    E=mc2

    Per esempio (vedi Immagine - 2), nel caso particolare dell'annichilazione elettrone-positrone, viene prodotta energia elettromagnetica nella forma di uno o più fotoni, che costituiscono appunto i quanti (o portatori) della forza elettromagnetica.

    [inline: 2=Immagine - 2 - Reazione di annichilazione subita da un elettrone e un positrone in urto frontale con uguale velocità e verso opposto] Immagine - 2 - La reazione di annichilazione subita da un elettrone e un positrone in urto frontale con uguale velocità e verso opposto. In questa immagine vediamo la reazione di annichilazione subita da un elettrone e un positrone in urto frontale con uguale velocità e verso opposto: i prodotti dell'annichilazione sono 2 fotoni, anch'essi con velocità uguale e opposta in modo da rispettare la conservazione della quantità di moto. L'illustrazione utilizza il formalismo dei diagrammi di Feynman.

    Questo tipo di reazione "esplosiva" fra materia e antimateria suggerisce l'impossibilità della loro coesistenza in una configurazione stabile; il grande fisico Stephen Hawking, in una delle sue opere più famose, esprime questo concetto in chiave umoristica affermando:

    "Potrebbero esistere interi antimondi e antipersone composti da antiparticelle. Se però incontri il tuo anti-io non stringergli la mano! Svanireste infatti entrambi in un grande lampo di luce1"

    Fatta questa dovuta precisazione torniamo a quel famoso istante dopo il Big Bang, in cui l'universo iniziò ad espandersi e raffreddarsi: uguali quantità di materia e antimateria a contatto fra di loro avrebbero dovuto iniziare a reagire annichilandosi vicendevolmente e conducendo l'Universo ad un rapido svuotamento.

    Eppure qualcosa deve essere andato diversamente visto che oggi siamo qui a parlarne e viviamo in un mondo fatto di materia!

    Possiamo dire che è subentrata un'anomalia nel comportamento del sistema che ha condotto ad una prevalenza della materia sull'antimateria nella misura di una parte su un miliardo; il "difetto" di cui stiamo parlando è noto come violazione della simmetria CP.

    Prima di soffermarci sulla particolare relazione che abbiamo citato, ricordiamo quali sono le simmetrie fondamentali con cui è possibile descrivere un sistema fisico ripercorrendo brevemente anche l'evoluzione storica che ne ha segnato la conoscenza nel corso del secolo scorso.

    Fino alla prima metà del '900 si dava per assunto che tutte le interazioni fondamentali obbedissero separatamente a tre tipi di simmetria, ciascuna indicante l'invarianza rispetto all'applicazione di una trasformazione fisica.

    Vediamole:

    • La Simmetria C, che identifica l'invarianza di un sistema sottoposto alla coniugazione di carica: l'operazione che inverte la carica elettrica di una particella cambiandola nella sua corrispondente antiparticella.
    • La simmetria P, secondo cui un sistema mantiene inalterato il proprio comportamento qualora sia sottoposto all'operazione di parità, che lo sostituisce con la sua immagine speculare invertendo di segno le coordinate spaziali di tutte le particelle che lo costituiscono.
    • La simmetria T, infine, è riferita all'operazione di inversione temporale e implica la perfetta reversibilità di un'interazione, di modo che sia questa che la sua inversa abbiano la stessa probabilità di avvenire.

    Utilizzando uno scenario molto amato dai fisici classici, pensiamo di filmare l'urto fra due palle da biliardo, dall'istante iniziale a quello finale in cui il sistema ritorna ad assumere uno stato di quiete.

    Se guardiamo il filmato all'indietro rivedremo tutta la scena ripetersi a ritroso nel tempo fino al completo ripristinarsi delle condizioni iniziali.

    Questo è quello che intendiamo quando parliamo di simmetria T: invertendo la direzione del tempo le leggi fisiche rimangono le stesse.

    Se queste simmetrie sembravano rispettate a livello molecolare e atomico, scendendo nel subnucleare si iniziarono a riscontrare le prime violazioni.

    Nel 1956 i fisici teorici T. D. Lee e C. N. Yang ipotizzarono la non-conservazione della parità nelle interazioni deboli dei decadimenti radioattivi e proposero una serie di possibili verifiche sperimentali a favore di questa tesi2;

    nel corso dell'anno successivo C.S. Wu ne offrì la prima evidenza sperimentale effettuando il test sul decadimento beta dell'isotopo 60 del Cobalto3.

    Preso atto dell'importante risultato, che valse il premio nobel nel '57 per la fisica a Lee e Yang, sembrava comunque che il difetto della simmetria P fosse sempre accompagnato ad un'analoga violazione della simmetria C in modo che la combinazione CP restituisse risultati simmetrici.

    Nel 1964, invece, si vide che neppure questa regola era esente da violazioni; l'esperimento di Christenson, Cronin, Fitch e Turlay presso il laboratorio di Brookhaven (USA) mostrò infatti che il mesone neutro K (o Kaone) presentava un comportamento anomalo in una piccolissima percentuale dei suoi decadimenti, violando questa simmetria4.

    Questo confermò l'esistenza di una discrepanza fra il comportamento della materia e quello dell'antimateria; diventò plausibile il fatto che una violazione, seppur lieve, di CP potesse aver dato luogo all'eccesso di materia "sopravvissuta" in seguito al Big Bang che starebbe alla base dell'esistenza stessa dell'Universo così come lo conosciamo.

    [inline: 3=Immagine - 3 - effetti delle trasformazioni di parità (P), di coniugazione di carica (C) e della combinazione CP applicate ad un sistema fisico] Immagine - 3 - effetti delle trasformazioni di parità (P), di coniugazione di carica (C) e della combinazione CP applicate ad un sistema fisico. L'illustrazione raffigura gli effetti delle trasformazioni di PARITA'(P), di CONIUGAZIONE DI CARICA(C) e della combinazione CP applicate ad un sistema fisico costituito, per l'occasione, da una bambina ed una particella carica.

    A partire dagli anni immediatamente successivi, molte ricerche si concentrarono su questo fenomeno, fino ad arrivare ai recenti esperimenti che hanno portato alla conferma DIRETTA della violazione e sono tuttora in opera nel tentativo di ampliare ulteriormente l'orizzonte in questa direzione.

    Fra questi citiamo la Collaborazione Internazionale NA48, operativa presso i laboratori del CERN di Ginevra (CH), che ha ottenuto risultati di alta precisione nella misura del parametro di violazione CP nel decadimento dei Kaoni e l'esperimento BaBar, presso lo SLAC (Stanford Linear ACcelerator) che ha riscontrato l'asimmetria anche nel decadimento dei mesoni B, più pesanti dei Kaoni.

    Gli esiti di questi esperimenti consolidano la nostra conoscenza del fenomeno di violazione (che oggi è concretamente riproducibile e misurabile in laboratorio) e vanno ad avvalorare il modello che lo vede come chiave di lettura per l'attuale configurazione dell'Universo; degli altri obiettivi della ricerca scientifica in ambito di antimateria parleremo la prossima volta.

    Illustrazioni di Davide Locatelli

    Note:

    1 S.HAWKING: Dal Big Bang ai Buchi Neri - 1988 (vedi bibliografia [b])

    2 vedi bibliografia [d]

    3 vedi bibliografia [e]

    4 vedi bibliografia [f]

    Bibliografia:

    [a] S. D. Drell: L'annichilazione elettrone-positrone e le nuove particelle â€“ Le Scienze n.86 Ottobre 1975

    [b] S.Hawking: Dal Big Bang ai Buchi Neri â€“ Ed. Rizzoli, Milano, 1988 , Isbn 88-17-85343-7

    [c] F. Wilczeck: L'asimmetria cosmica tra materia e antimateria â€“ Le Scienze n. 150, Febbraio 1981

    [d] T.D.Lee and C.N.Yang : Question of Parity Conservation in Weak Interactions Phys.Rev.104, 254 (1956).

    [e] C.S.Wu, E.Ambler, R.W.Hayward, D.D.Hoppes and R.P.Hudson : Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay Phys.Rev.105, 1413, (1957).

    [f] J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch and R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 138.

    [g] The NA48 Collaboration: A precise measurement of the direct CP violation parameter Re(ε'/ε) - Eur. Phys. J. C 22, 231–254 (2001) - Digital Object Identifier (DOI) 10.1007/s100520100822

    [h] The BaBar Collaboration, B. Aubert et al.: Observation of Direct CP Violation in B0 -> K+ π- Decays - hep-ex/0407057 (2004)



    Newsletter

    Resta informato con le nostre notizie periodicamente

    Cliccando sul pulsante iscriviti acconsenti al trattamento dei tuoi dati. La tua email non verrà MAI ceduta a nessuno!