L'universo è costituito da un enorme squilibrio tra materia e antimateria. L'antimateria e la materia sono in realtà la stessa cosa, ma hanno cariche opposte, ma non c'è quasi nessuna antimateria nell'universo osservabile, comprese le stelle e le altre galassie. In teoria, ci dovrebbero essere grandi quantità di antimateria, ma l'universo osservabile è principalmente materia

"Siamo qui perché c'è più materia che antimateria nell'universo, " afferma il professor Jens Oluf Andersen del Dipartimento di Fisica dell'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU). Questo grande squilibrio tra materia e antimateria è tutta materia tangibile, comprese le forme di vita, esiste, ma gli scienziati non capiscono perché.

La fisica utilizza un modello standard per spiegare e comprendere come il mondo è connesso. Il modello standard è una teoria che descrive tutte le particelle con cui gli scienziati hanno familiarità. Rappresenta i quark, elettroni, la particella del bosone di Higgs e come interagiscono tra loro. Ma il modello standard non può spiegare il fatto che il mondo sia composto quasi esclusivamente di materia. Quindi deve esserci qualcosa che non abbiamo ancora capito.

Quando l'antimateria e la materia si incontrano, annientano, e il risultato è leggero e nient'altro. Data la stessa quantità di materia e antimateria, nulla sarebbe rimasto una volta completata la reazione. Finché non sappiamo perché esiste più materia, non possiamo sapere perché esistono gli elementi costitutivi di qualsiasi altra cosa, o. "Questo è uno dei più grandi problemi irrisolti in fisica, "dice Andersen.

I ricercatori chiamano questo il problema dell'"asimmetria barionica". I barioni sono particelle subatomiche, compresi protoni e neutroni. Tutti i barioni hanno un corrispondente antibarione, che è misteriosamente raro. Il modello standard della fisica spiega diversi aspetti delle forze della natura. Spiega come gli atomi diventano molecole, e spiega le particelle che compongono gli atomi.

"Il modello standard della fisica include tutte le particelle che conosciamo. La particella più recente, il bosone di Higgs, è stato scoperto nel 2012 al CERN, dice Andersen. Con questa scoperta, un pezzo importante è andato a posto. Ma non quello finale. Il modello standard funziona perfettamente per spiegare grandi parti dell'universo, quindi i ricercatori sono incuriositi quando qualcosa non va bene. L'asimmetria barionica appartiene a questa categoria.

I fisici hanno le loro teorie sul perché c'è più materia, e quindi perché esistiamo innegabilmente. "Una teoria è che è stato così dal Big Bang, " dice Andersen. In altre parole, lo squilibrio tra materia e antimateria è un presupposto fondamentale che esiste più o meno dall'inizio.

I quark sono tra gli elementi costitutivi più piccoli della natura. Un primo surplus di quark rispetto agli antiquark si è propagato quando si sono formate unità più grandi. Ma ad Andersen questa spiegazione non interessa. "Non siamo ancora contenti di quell'idea, perché non ci dice molto, " lui dice.

Allora perché questo squilibrio era presente fin dall'inizio? Perché i quark inizialmente erano più numerosi degli antiquark? "In linea di principio, è possibile generare asimmetria all'interno del modello standard della fisica, ovvero, la differenza tra la quantità di materia e di antimateria. Ma ci imbattiamo in due problemi, "dice Andersen.

Prima di tutto, gli scienziati devono tornare indietro nel tempo, subito dopo il Big Bang, quando tutto è iniziato—stiamo parlando di 10 picosecondi, o 10 ^-11 secondi dopo il Big Bang.

Il secondo problema è che le temperature devono essere intorno a 1 trilione di gradi Kelvin, o 10 ¹⁵ gradi. È rovente:considera che la superficie del sole è solo di circa 5700 gradi. Indipendentemente, non è sufficiente per spiegare la materia barionica. "Non può funzionare. Nel modello standard, non abbiamo abbastanza materia, " Dice Andersen. "Il problema è che il salto nel valore di aspettativa del campo di Higgs è troppo piccolo, " aggiunge a vantaggio di coloro che hanno solo una minima conoscenza della fisica.

"Probabilmente non è solo la nostra immaginazione a imporre limiti, ma ci sono molte possibilità, " dice Andersen. Queste possibilità quindi devono lavorare insieme al modello standard. "Quello che stiamo veramente cercando è un'estensione del modello standard. Qualcosa che si adatta a esso."

Né lui né altri fisici dubitano che il modello standard sia giusto. Il modello viene continuamente testato al CERN e ad altri acceleratori di particelle. È solo che il modello non è ancora completo. Andersen e i suoi colleghi stanno studiando varie possibilità per adattare il modello allo squilibrio tra materia e antimateria. Gli ultimi risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

"In realtà, stiamo parlando di transizioni di fase, " dice Andersen. Il suo gruppo sta considerando processi di cambiamento nella materia, come l'acqua che si trasforma in vapore o ghiaccio in condizioni mutevoli. Stanno anche valutando se la materia sia nata come risultato di una transizione di fase elettrodebole (EWPT) e abbia formato un surplus di barioni subito dopo il Big Bang. La transizione di fase elettrodebole avviene per formazione di bolle. La nuova fase si amplia, un po' come bolle d'acqua, e si impadronisce dell'intero universo.

Andersen e i suoi colleghi hanno testato il cosiddetto modello "due doppietti di Higgs" (2HDM), una delle estensioni più semplici del modello standard. Hanno cercato possibili aree in cui sono presenti le condizioni giuste per creare materia. "Esistono diversi scenari su come è stata creata l'asimmetria barionica. Abbiamo studiato la transizione di fase elettrodebole utilizzando il modello 2HDM. Questa transizione di fase avviene nella fase iniziale del nostro universo, "dice Andersen.

Il processo è paragonabile all'acqua bollente. Quando l'acqua raggiunge i 100 gradi Celsius, si formano e si sollevano bolle di gas. Queste bolle di gas contengono vapore acqueo che è la fase gassosa. L'acqua è un liquido. Quando passa dalla fase gassosa alla fase liquida nell'universo primordiale durante un processo in cui l'universo si espande e si raffredda, si produce un surplus di quark rispetto agli antiquark, generando l'asimmetria barionica.

Ultimo, ma non per importanza, i ricercatori stanno anche facendo matematica. Affinché i modelli funzionino in sincronia, parametri o valori numerici devono adattarsi in modo che entrambi i modelli siano corretti contemporaneamente. Quindi il lavoro consiste nel trovare questi parametri. Nell'articolo più recente in Lettere di revisione fisica , Andersen e i suoi colleghi hanno ristretto l'area matematica in cui la materia può essere creata e allo stesso tempo corrispondere a entrambi i modelli. Ora hanno ristretto le possibilità.

"Affinché il nuovo modello (2HDM) corrisponda a ciò che già sappiamo dal CERN, Per esempio, i parametri nel modello non possono essere qualsiasi cosa. D'altra parte, essere in grado di produrre un'asimmetria barionica sufficiente, anche i parametri devono essere all'interno di un certo intervallo. Ecco perché stiamo cercando di restringere l'intervallo dei parametri. Ma è ancora molto lontano, " dice Andersen. In ogni caso, i ricercatori hanno fatto un po' di progressi sulla strada per capire perché noi e tutto il resto siamo qui.