La regione francese della Savoia è meglio conosciuta per le sue piste da sci fiancheggiate da abeti e i pittoreschi villaggi alpini. Meno noto è il fatto che, in profondità sotto alcuni di questi pendii, gli scienziati stanno indagando su uno dei più grandi misteri della fisica:l'origine della materia.

Il tunnel stradale del Fréjus nella regione trasporta il traffico tra la città francese di Modane e la città italiana di Bardonecchia. Fai un giro attraverso il tunnel, e potresti notare - nel punto centrale - una modesta porta verde nella parete del tunnel. Questa robusta porta in metallo separa il soffocante, aria infusa di gasolio del tunnel stradale dal pulito, atmosfera controllata del Laboratoire Souterraine de Modane, Il laboratorio sotterraneo più profondo d'Europa che ospita un esperimento di fisica delle particelle chiamato SuperNEMO.

Il rivelatore SuperNEMO, lungo circa sei metri, quattro metri di altezza e tre metri di larghezza, si trova in una stanza pulita strettamente controllata per proteggerlo dalla contaminazione dalle minuscole quantità di radioattività naturale presente nello sporco e nella polvere. La montagna stessa fornisce protezione dai raggi cosmici che bombardano continuamente la superficie del nostro pianeta. Tale protezione è necessaria, poiché il compito di SuperNEMO è di sorvegliare oltre sette chilogrammi di selenio e ricercare una delle forme di radioattività più rare che ci siano:il decadimento doppio beta.

Tutti gli elementi radioattivi sono instabili e decadono (suddivisi) in uno stato stabile a causa di cambiamenti nel nucleo atomico (che consiste di protoni e neutroni). Il decadimento doppio beta è un processo mediante il quale due neutroni in un nucleo di selenio decadono simultaneamente in protoni, mentre emette due elettroni e due particelle chiamate antineutrini.

Gli antineutrini sono un esempio di "antimateria". Tutte le particelle di materia hanno versioni antiparticelle di se stesse, quasi identiche ma con carica opposta. Quando una particella e un'antiparticella si incontrano, si annientano in un lampo di energia.

Particelle enigmatiche

Gli antineutrini sono sconcertanti. Prendi il modo in cui girano, ad esempio. Molte particelle ruotano mentre viaggiano, ma i neutrini sembrano girare solo in un modo. Tutti i neutrini ruotano in senso antiorario mentre viaggiano e tutti gli antineutrini ruotano in senso orario. Non abbiamo idea del perché sia ​​così.

Poi c'è la loro massa:i neutrini sono tanti, molte volte più leggere di qualsiasi altra particella con massa, così tanto più leggera che non siamo ancora stati in grado di misurare direttamente la loro piccola massa. Il neutrino è un outlier tra le particelle - e quando gli scienziati vedono outlier, non possiamo fare a meno di sospettare che ci sia un significato più profondo dietro l'incoerenza che potrebbe rivelare una profonda verità sulle leggi della natura. I semi di una teoria per spiegare le molte eccentricità del neutrino risiedono in un'osservazione relativamente banale:a differenza di altre particelle, il neutrino non ha carica elettrica.

Ma senza carica elettrica, come si differenzia l'antineutrino dal neutrino? C'è sicuramente qualche differenza. I tipi di neutrini e antineutrini che SuperNEMO sta esaminando sono del cosiddetto tipo elettronico. Quando i neutrini interagiscono con la materia producono elettroni con carica negativa, ma quando gli antineutrini interagiscono con la materia producono positroni carichi positivamente, l'antiparticella dell'elettrone. Ma prima che il neutrino o l'antineutrino interagiscano, come fa a sapere qual è?

Questa profonda domanda ha portato il fisico italiano Ettore Majorana a considerare se il neutrino e l'antineutrino potessero effettivamente essere esattamente la stessa particella, semplicemente girando in direzioni opposte.

Se gli antineutrini creati nel decadimento doppio beta che SuperNEMO sta cercando hanno la capacità di comportarsi come neutrini, allora solo occasionalmente uno di loro potrebbe farlo. Ciò significherebbe che hai un antineutrino e un neutrino uno accanto all'altro, il che significherebbe che potrebbero annichilirsi a vicenda. Se ciò dovesse accadere, i due elettroni prodotti nel decadimento doppio beta otterrebbero una spinta in più di energia dall'annichilazione - ed è quello che sta cercando SuperNEMO:una piccola spinta di energia che ci richiederebbe di ripensare al modo in cui materia e antimateria sono correlate.

La pazienza è la chiave di questa ricerca. L'emivita del decadimento doppio beta nel selenio - questo è il tempo che dovresti aspettare prima che un atomo abbia una probabilità del 50% di essere decaduto - è 10 ²⁰ anni. Questo è un 1 seguito da 20 zeri:prendi la vita dell'universo e aggiungi altri dieci zeri. E anche quando si verifica un decadimento doppio beta, la possibilità che i due antineutrini si annientino è minima, ammesso che accada. Lo compensiamo avendo molti atomi di selenio nel nostro rivelatore, ma stiamo ancora cercando solo uno o due di questi decadimenti ogni anno.

L'origine della materia

Se osserviamo un tale decadimento radioattivo dovremmo riscrivere il modello standard di fisica delle particelle di successo. Questa sarebbe di per sé una grande scoperta. Il Modello Standard contiene regole rigorose, chiamate leggi di conservazione, su ciò che può e non può accadere nei decadimenti e nelle interazioni delle particelle. Se i nostri due antineutrini si annientano (perché uno di loro si è comportato in quel momento come un neutrino), allora il doppio decadimento beta produrrebbe due elettroni simili alla materia e nessuna antimateria per bilanciarli. Non è consentito nel Modello Standard, che richiede che materia e antimateria siano sempre prodotte in quantità uguali.

Questo ci porta a una delle domande più profonde della fisica:perché c'è più materia che antimateria nell'universo? Potresti pensare che conosciamo già la risposta a questa domanda:il Big Bang ha prodotto tutta la materia. Bene, sì, l'ha fatto, ma avrebbe dovuto produrre anche una quantità uguale di antimateria. Allora perché tutta la materia e l'antimateria non si annichilirono a vicenda per non lasciare altro che un mare di luce?

Se il neutrino e l'antineutrino sono davvero la stessa particella, il modello standard rivisto risultante ti consentirebbe di aggiungere più di queste particelle simili ai neutrini nel tuo modello. Alcune di queste particelle simili ai neutrini potrebbero essere pesanti piuttosto che leggere; e intendo molto pesanti - così pesanti che il Large Hadron Collider non è stato in grado di produrli, e così pesanti in effetti che erano comuni solo al caldo, condizioni dense dell'universo primordiale.

Poiché questo Modello Standard rivisto ha un meccanismo per rompere la simmetria tra materia e antimateria, questi neutrini super pesanti hanno anche la capacità di "scegliere" di decadere in materia anziché in antimateria, fornendo all'universo primordiale la materia extra che vediamo ora. Se così non fosse, tutta la materia e l'antimateria si sarebbero annientate a vicenda e non ci sarebbero state stelle, i pianeti, e noi.

Quindi, se ti trovi mai nella regione francese della Savoia, godendosi l'aprés-ski dopo una giornata sulle piste, dedica un pensiero al rivelatore SuperNEMO – e ai fisici delle particelle come me, nel profondo sotto di te, aspettando pazientemente quel decadimento radioattivo che potrebbe spiegare come sei arrivato lì.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.