Perché esistiamo? Questa è probabilmente la domanda più profonda che ci sia e che può sembrare completamente al di fuori dell'ambito della fisica delle particelle. Ma il nostro nuovo esperimento al Large Hadron Collider del CERN ci ha portato un passo più vicino a capirlo.

Per capire perché, torniamo indietro nel tempo di circa 13,8 miliardi di anni fino al Big Bang. Questo evento ha prodotto quantità uguali della materia di cui sei fatto e qualcosa chiamato antimateria. Si crede che ogni particella abbia una compagna di antimateria virtualmente identica a se stessa, ma con carica opposta. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annientano a vicenda – scomparendo in un lampo di luce.

Perché l'universo che vediamo oggi sia fatto interamente di materia è uno dei più grandi misteri della fisica moderna. Se mai ci fosse stata una quantità uguale di antimateria, tutto nell'universo sarebbe stato annientato. La nostra ricerca ha svelato una nuova fonte di questa asimmetria tra materia e antimateria.

L'antimateria fu postulata per la prima volta da Arthur Schuster nel 1896, data una base teorica da Paul Dirac nel 1928, e scoperto sotto forma di anti-elettroni, positroni soprannominati, da Carl Anderson nel 1932. I positroni si verificano nei processi radioattivi naturali, come nel decadimento del potassio-40. Ciò significa che la tua banana media (che contiene potassio) emette un positrone ogni 75 minuti. Questi poi si annichilano con gli elettroni della materia per produrre luce. Le applicazioni mediche come gli scanner PET producono antimateria nello stesso processo.

Gli elementi costitutivi fondamentali della materia che costituiscono gli atomi sono particelle elementari chiamate quark e leptoni. Ci sono sei tipi di quark:up, fuori uso, strano, fascino, inferiore e superiore. Allo stesso modo, ci sono sei leptoni:l'elettrone, muone, tau e i tre neutrini. Esistono anche copie di antimateria di queste dodici particelle che differiscono solo per la loro carica.

Le particelle di antimateria dovrebbero in linea di principio essere immagini speculari perfette dei loro compagni normali. Ma gli esperimenti dimostrano che non è sempre così. Prendiamo ad esempio particelle note come mesoni, formati da un quark e un antiquark. I mesoni neutri hanno una caratteristica affascinante:possono trasformarsi spontaneamente nel loro anti-mesone e viceversa. In questo processo, il quark si trasforma in anti-quark o l'anti-quark si trasforma in quark. Ma gli esperimenti hanno dimostrato che questo può accadere più in una direzione che in quella opposta, creando più materia che antimateria nel tempo.

La terza volta è un incanto

Tra le particelle contenenti quark, solo quelli che includono i quark strani e bottom sono stati trovati per mostrare tali asimmetrie - e queste erano scoperte estremamente importanti. La primissima osservazione dell'asimmetria che coinvolge particelle strane nel 1964 ha permesso ai teorici di prevedere l'esistenza di sei quark, in un momento in cui se ne conoscevano solo tre. La scoperta dell'asimmetria nelle particelle di fondo nel 2001 è stata la conferma finale del meccanismo che ha portato all'immagine a sei quark. Entrambe le scoperte hanno portato a premi Nobel.

Sia il quark strano che quello bottom portano una carica elettrica negativa. L'unico quark con carica positiva che in teoria dovrebbe essere in grado di formare particelle che possono mostrare asimmetria materia-antimateria è il fascino. La teoria suggerisce che se lo fa, allora l'effetto dovrebbe essere piccolo e difficile da rilevare.

Ma l'esperimento LHCb è ora riuscito a osservare per la prima volta una tale asimmetria in particelle chiamate mesone D, che sono costituite da quark charm. Ciò è reso possibile dalla quantità senza precedenti di particelle charm prodotte direttamente nelle collisioni di LHC, che ho aperto la strada un decennio fa. Il risultato indica che la possibilità che questa sia una fluttuazione statistica è di circa 50 su un miliardo.

Se questa asimmetria non deriva dallo stesso meccanismo che causa le asimmetrie strane e dei quark bottom, questo lascia spazio a nuove fonti di asimmetria materia-antimateria che possono aggiungere a tale asimmetria totale nell'universo primordiale. E questo è importante perché i pochi casi noti di asimmetria non possono spiegare perché l'universo contenga così tanta materia. La scoperta del fascino da sola non basterà a colmare questa lacuna, ma è un pezzo di puzzle essenziale nella comprensione delle interazioni delle particelle fondamentali.

Prossimi passi

La scoperta sarà seguita da un numero sempre maggiore di lavori teorici, che aiutano a interpretare il risultato. Ma soprattutto, delineerà ulteriori test per approfondire la comprensione a seguito della nostra scoperta, con un numero di tali test già in corso.

Nel prossimo decennio, l'esperimento LHCb aggiornato aumenterà la sensibilità per questo tipo di misurazioni. Questo sarà integrato dall'esperimento Belle II con sede in Giappone, che sta appena iniziando a funzionare. Queste sono prospettive entusiasmanti per la ricerca sull'asimmetria materia-antimateria.

L'antimateria è anche al centro di una serie di altri esperimenti. Anti-atomi interi vengono prodotti presso l'Antiproton Decelerator del CERN, che alimenta una serie di esperimenti che effettuano misurazioni di alta precisione. L'esperimento AMS-2 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale è alla ricerca di antimateria di origine cosmica. E una serie di esperimenti attuali e futuri affronterà la questione se esiste un'asimmetria antimateria tra i neutrini.

Anche se non possiamo ancora risolvere completamente il mistero dell'asimmetria materia-antimateria dell'universo, la nostra ultima scoperta ha aperto le porte a un'era di misurazioni di precisione che hanno il potenziale per scoprire fenomeni ancora sconosciuti. Ci sono tutte le ragioni per essere ottimisti sul fatto che un giorno la fisica sarà in grado di spiegare perché siamo qui.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.