Gli scienziati si divertono ad esplorare i misteri, e più grande è il mistero, maggiore è l’entusiasmo. Ci sono molte enormi domande senza risposta nella scienza, ma quando si va in grande, è difficile battere “Perché c’è qualcosa, invece di niente?”
Questa potrebbe sembrare una domanda filosofica, ma è una domanda che si presta molto bene all’indagine scientifica. Detto un po’ più concretamente: “Perché l’universo è fatto del tipo di materia che rende possibile la vita umana, così che possiamo anche fare questa domanda? Gli scienziati che conducono ricerche in Giappone hanno annunciato il mese scorso una misurazione che affronta direttamente la più affascinante delle domande. Sembra che la loro misurazione sia in disaccordo con le più semplici aspettative della teoria attuale e potrebbe benissimo puntare verso una risposta a questa domanda senza tempo.
La loro misurazione sembra dire che per un particolare insieme di particelle subatomiche, la materia e l’antimateria agiscono in modo diverso.
Materia contro Antimateria
Utilizzando l’acceleratore J-PARC, situato a Tokai, in Giappone, gli scienziati hanno sparato un fascio di particelle subatomiche fantasma chiamate neutrini e le loro controparti antimateria (antineutrini) attraverso la Terra verso l’esperimento Super Kamiokande, situato a Kamioka, sempre in Giappone. Questo esperimento, chiamato T2K (Tokai to Kamiokande), è progettato per determinare perché il nostro universo è fatto di materia. Un comportamento particolare esibito dai neutrini, chiamato oscillazione dei neutrini, potrebbe far luce su questo problema molto fastidioso.
Chiedere perché l’universo è fatto di materia potrebbe sembrare una domanda particolare, ma c’è un’ottima ragione per cui gli scienziati sono sorpresi da questo. È perché, oltre a conoscere l’esistenza della materia, gli scienziati conoscono anche l’antimateria.
Nel 1928, il fisico britannico Paul Dirac propose l’esistenza dell’antimateria – un fratello antagonista della materia. Combina quantità uguali di materia e antimateria e i due si annichilano a vicenda, con il risultato di liberare un’enorme quantità di energia. E, poiché i principi della fisica di solito funzionano altrettanto bene al contrario, se hai una prodigiosa quantità di energia, essa può convertirsi in quantità esattamente uguali di materia e antimateria. L’antimateria è stata scoperta nel 1932 dall’americano Carl Anderson e i ricercatori hanno avuto quasi un secolo per studiarne le proprietà.
Tuttavia, quella frase “in quantità esattamente uguali” è il punto cruciale dell’enigma. Nei brevi momenti immediatamente successivi al Big Bang, l’universo era pieno di energia. Espandendosi e raffreddandosi, quell’energia avrebbe dovuto convertirsi in parti uguali di materia e particelle subatomiche di antimateria, che dovrebbero essere osservabili oggi. Eppure il nostro universo consiste essenzialmente solo di materia. Com’è possibile?
Contando il numero di atomi nell’universo e confrontandolo con la quantità di energia che vediamo, gli scienziati hanno determinato che “esattamente uguale” non è del tutto corretto. In qualche modo, quando l’universo aveva circa un decimo di trilionesimo di secondo, le leggi della natura si sono leggermente spostate nella direzione della materia. Per ogni 3.000.000.000 di particelle di antimateria, c’erano 3.000.000.001 particelle di materia. I 3 miliardi di particelle di materia e i 3 miliardi di particelle di antimateria si combinavano – e si annichilivano di nuovo in energia, lasciando il leggero eccesso di materia per formare l’universo che vediamo oggi.
Da quando questo enigma è stato compreso quasi un secolo fa, i ricercatori hanno studiato materia e antimateria per vedere se potevano trovare un comportamento nelle particelle subatomiche che spiegasse l’eccesso di materia. Sono sicuri che la materia e l’antimateria sono fatte in quantità uguali, ma hanno anche osservato che una classe di particelle subatomiche chiamate quark mostrano comportamenti che favoriscono leggermente la materia rispetto all’antimateria. Questa particolare misurazione è stata sottile, coinvolgendo una classe di particelle chiamate mesoni K che possono convertire da materia ad antimateria e viceversa. Ma c’è una leggera differenza nella materia che si converte in antimateria rispetto al contrario. Questo fenomeno era inaspettato e la sua scoperta ha portato al premio Nobel del 1980, ma la grandezza dell’effetto non era sufficiente a spiegare perché la materia domina nel nostro universo.
Fasci fantasma
Quindi, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione ai neutrini, per vedere se il loro comportamento può spiegare la materia in eccesso. I neutrini sono i fantasmi del mondo subatomico. Interagendo solo attraverso la forza nucleare debole, possono passare attraverso la materia senza interagire quasi per niente. Per dare un senso di scala, i neutrini sono più comunemente creati in reazioni nucleari e il più grande reattore nucleare in circolazione è il Sole. Per schermarsi dalla metà dei neutrini solari ci vorrebbe una massa di piombo solido di circa 5 anni luce di profondità. I neutrini non interagiscono davvero molto.
Tra il 1998 e il 2001, una serie di esperimenti – uno con il rivelatore Super Kamiokande e un altro con il rivelatore SNO a Sudbury, Ontario – hanno dimostrato definitivamente che i neutrini hanno anche un altro comportamento sorprendente. Cambiano la loro identità.
I fisici conoscono tre tipi distinti di neutrini, ciascuno associato a un unico fratello subatomico, chiamato elettroni, muoni e tau. Gli elettroni sono ciò che causa l’elettricità e le particelle muone e tau sono molto simili agli elettroni, ma più pesanti e instabili.
I tre tipi di neutrini, chiamati neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau, possono “trasformarsi” in altri tipi di neutrini e tornare indietro. Questo comportamento è chiamato oscillazione del neutrino.
L’oscillazione dei neutrini è un fenomeno unicamente quantistico, ma è approssimativamente analogo a quando si inizia con una ciotola di gelato alla vaniglia e, dopo essere andati a cercare un cucchiaio, si torna indietro per scoprire che la ciotola è metà vaniglia e metà cioccolato. I neutrini cambiano la loro identità dall’essere interamente di un tipo, a un mix di tipi, a un tipo completamente diverso, e poi di nuovo al tipo originale.
Oscillazioni antineutrino
I neutrini sono particelle di materia, ma esistono anche neutrini antimateria, chiamati antineutrini. E questo porta ad una domanda molto importante. I neutrini oscillano, ma anche gli antineutrini oscillano e oscillano esattamente come i neutrini? La risposta alla prima domanda è sì, mentre la risposta alla seconda non è nota.
Consideriamo la cosa un po’ più a fondo, ma in modo semplificato: Supponiamo che ci siano solo due tipi di neutrini – muone ed elettrone. Supponiamo inoltre di avere un fascio di neutrini puramente di tipo muonico. I neutrini oscillano ad una velocità specifica e, poiché si muovono vicino alla velocità della luce, oscillano in funzione della distanza da dove sono stati creati. Così, un fascio di neutrini muonici puri apparirà come un mix di muoni ed elettroni ad una certa distanza, poi puramente elettroni ad un’altra distanza e poi di nuovo solo muoni. I neutrini antimateria fanno la stessa cosa.
Tuttavia, se i neutrini di materia e antimateria oscillano a velocità leggermente diverse, ci si aspetterebbe che se ci si trovasse a una distanza fissa dal punto in cui un fascio di neutrini puri a muoni o di antineutrini a muoni è stato creato, allora nel caso dei neutrini si vedrebbe una miscela di neutrini a muoni ed elettroni, ma nel caso dei neutrini antimateria, si vedrebbe una miscela diversa di neutrini a muoni ed elettroni. La situazione reale è complicata dal fatto che ci sono tre tipi di neutrini e l’oscillazione dipende dall’energia del fascio, ma queste sono le grandi idee.
L’osservazione delle diverse frequenze di oscillazione dei neutrini e degli antineutrini sarebbe un passo importante verso la comprensione del fatto che l’universo è fatto di materia. Non è tutta la storia, perché anche altri nuovi fenomeni devono reggere, ma la differenza tra neutrini di materia e antimateria è necessaria per spiegare perché c’è più materia nell’universo.
Nell’attuale teoria prevalente che descrive le interazioni dei neutrini, c’è una variabile che è sensibile alla possibilità che neutrini e antineutrini oscillino in modo diverso. Se questa variabile è zero, i due tipi di particelle oscillano a velocità identiche; se questa variabile differisce da zero, i due tipi di particelle oscillano in modo diverso.
Quando T2K ha misurato questa variabile, ha scoperto che non era coerente con l’ipotesi che neutrini e antineutrini oscillano in modo identico. Un po’ più tecnicamente, hanno determinato una gamma di valori possibili per questa variabile. C’è un 95% di possibilità che il vero valore di questa variabile sia all’interno di questo intervallo e solo un 5% di possibilità che la vera variabile sia fuori da questo intervallo. L’ipotesi “nessuna differenza” è al di fuori dell’intervallo del 95 per cento.
In termini più semplici, la misurazione attuale suggerisce che i neutrini e i neutrini di antimateria oscillano in modo diverso, anche se la certezza non raggiunge il livello per fare un’affermazione definitiva. Infatti, i critici fanno notare che misure con questo livello di significatività statistica dovrebbero essere viste molto, molto scetticamente. Ma è certamente un risultato iniziale enormemente provocatorio, e la comunità scientifica mondiale è estremamente interessata a vedere studi migliori e più precisi.
L’esperimento T2K continuerà a registrare ulteriori dati nella speranza di fare una misurazione definitiva, ma non è l’unico gioco in città. Al Fermilab, situato fuori Chicago, un esperimento simile chiamato NOVA sta sparando sia neutrini che neutrini di antimateria nel nord del Minnesota, sperando di battere T2K. E, guardando al futuro, il Fermilab sta lavorando duramente su quello che sarà il suo esperimento di punta, chiamato DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), che avrà capacità di gran lunga superiori per studiare questo importante fenomeno.
Anche se il risultato di T2K non è definitivo e la cautela è garantita, è certamente allettante. Data l’enormità della questione del perché il nostro universo sembra non avere antimateria apprezzabile, la comunità scientifica mondiale attenderà avidamente ulteriori aggiornamenti.
Originariamente pubblicato su Live Science.
Don Lincoln è un ricercatore di fisica al Fermilab. È l’autore di “The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di video di educazione scientifica. Seguitelo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono sue.
Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
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