È uno dei più grandi enigmi della fisica. Tutte le particelle che compongono la materia intorno a noi, tali elettroni e protoni, hanno versioni di antimateria quasi identiche, ma con proprietà speculari come la carica elettrica opposta. Quando un'antimateria e una particella di materia si incontrano, si annientano in un lampo di energia.

Se l'antimateria e la materia sono veramente identiche ma copie speculari l'una dell'altra, avrebbero dovuto essere prodotti in quantità uguali nel Big Bang. Il problema è che avrebbe annientato tutto. Ma oggi, non c'è quasi più antimateria nell'universo:appare solo in alcuni decadimenti radioattivi e in una piccola frazione di raggi cosmici. Allora cosa gli è successo? Utilizzando l'esperimento LHCb al CERN per studiare la differenza tra materia e antimateria, abbiamo scoperto un nuovo modo in cui questa differenza può apparire.

L'esistenza dell'antimateria fu prevista dall'equazione del fisico Paul Dirac che descriveva il moto degli elettroni nel 1928. In un primo momento, non era chiaro se si trattasse solo di un capriccio matematico o di una descrizione di una particella reale. Ma nel 1932 Carl Anderson scoprì un partner di antimateria per l'elettrone, il positrone, mentre studiava i raggi cosmici che piovono sulla Terra dallo spazio. Nei decenni successivi i fisici hanno scoperto che tutte le particelle di materia hanno partner di antimateria.

Gli scienziati ritengono che nello stato molto caldo e denso poco dopo il Big Bang, devono esserci stati processi che hanno dato la preferenza alla materia rispetto all'antimateria. Questo ha creato un piccolo surplus di materia, e mentre l'universo si raffreddava, tutta l'antimateria fu distrutta, o annientato, da una quantità uguale di materia, lasciando una piccola eccedenza di materia. Ed è questo surplus che costituisce tutto ciò che vediamo nell'universo oggi.

Non è chiaro esattamente quali processi abbiano causato l'eccedenza, e i fisici sono alla ricerca da decenni.

Asimmetria nota

Il comportamento dei quark, che sono i mattoni fondamentali della materia insieme ai leptoni, può far luce sulla differenza tra materia e antimateria. I quark sono di molti tipi diversi, o "sapori", noto come su, fuori uso, fascino, strano, bottom e top più sei antiquark corrispondenti.

I quark up e down sono ciò che costituisce i protoni e i neutroni nei nuclei della materia ordinaria, e gli altri quark possono essere prodotti da processi ad alta energia, ad esempio facendo collidere particelle in acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN.

Le particelle costituite da un quark e da un antiquark sono chiamate mesoni, e ci sono quattro mesoni neutri (B ⁰ , B ⁰ , D ⁰ e K ⁰ ) che mostrano un comportamento affascinante. Possono trasformarsi spontaneamente nel loro partner antiparticellare e poi tornare di nuovo, un fenomeno osservato per la prima volta nel 1960. Essendo instabili, ad un certo punto durante la loro oscillazione "decadranno" - cadranno a pezzi - in altre particelle più stabili. Questo decadimento avviene in modo leggermente diverso per i mesoni rispetto agli anti-mesoni, che combinato con l'oscillazione fa sì che la velocità del decadimento vari nel tempo.

Le regole per le oscillazioni ei decadimenti sono date da un quadro teorico chiamato meccanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Predice che c'è una differenza nel comportamento della materia e dell'antimateria, ma uno che è troppo piccolo per generare l'eccedenza di materia nell'universo primordiale necessaria per spiegare l'abbondanza che vediamo oggi.

Ciò indica che c'è qualcosa che non capiamo e che lo studio di questo argomento può mettere in discussione alcune delle nostre teorie più fondamentali in fisica.

Nuova fisica?

Il nostro recente risultato dell'esperimento LHCb è uno studio di B neutral neutro ⁰ mesoni, osservando i loro decadimenti in coppie di mesoni K carichi. il B ⁰ i mesoni sono stati creati dalla collisione di protoni con altri protoni nel Large Hadron Collider, dove hanno oscillato nel loro anti-mesone e indietro tre trilioni di volte al secondo. Le collisioni hanno anche creato anti-B ₀ mesoni che oscillano allo stesso modo, fornendoci campioni di mesoni e anti-mesoni che potrebbero essere confrontati.

Abbiamo contato il numero di decadimenti dai due campioni e confrontato i due numeri, per vedere come questa differenza variava con il progredire dell'oscillazione. C'era una leggera differenza, con più decadimenti che si verificavano per uno dei B ⁰ mesoni. E per la prima volta per B ⁰ mesoni, abbiamo osservato che la differenza di decadimento, o asimmetria, varia in base all'oscillazione tra il Si ⁰ mesone e l'anti-mesone.

Oltre ad essere una pietra miliare nello studio delle differenze materia-antimateria, siamo stati anche in grado di misurare la dimensione delle asimmetrie. Questo può essere tradotto in misurazioni di diversi parametri della teoria sottostante. Il confronto dei risultati con altre misurazioni fornisce un controllo di coerenza, per vedere se la teoria attualmente accettata è una descrizione corretta della natura. Poiché la piccola preferenza della materia sull'antimateria che osserviamo su scala microscopica non può spiegare l'enorme abbondanza di materia che osserviamo nell'universo, è probabile che la nostra attuale comprensione sia un'approssimazione di una teoria più fondamentale.

Indagando su questo meccanismo che sappiamo può generare asimmetrie materia-antimateria, sondandolo da diverse angolazioni, potrebbe dirci dove sta il problema. Studiare il mondo su scala più piccola è la nostra migliore possibilità di essere in grado di capire ciò che vediamo su scala più grande.

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