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Scienza

Materia e anti-materia

Resi noti I risultati dell’analisi dei dati di Lhcb, uno degli esperimenti principali dell’acceleratore Lhc, preposto allo studio del decadimento dei mesoni B₀. Dallo studio di questi decadimenti si può evincere l’asimmetria presente tra materia e antimateria
GINEVRA - Dimenticate il motore materia-anti-materia dell’Enterprise di Star Trek o il furto di anti-materia di Angeli e Demoni, è un dato di fatto che l’universo è praticamente costituito da materia e, per quanto ne sappiamo, non da anti-materia. Tuttavia, è anche vero che dal 1932, dalla scoperta di Anderson del positrone, ipotizzato da Dirac nel 1920, possiamo produrre anti-materia. Quindi l’anti-materia esiste e, anche se difficile da maneggiare, possiamo chiederci perché ad un certo punto nel nostro universo si è stabilizzata la presenza di materia e non quella di anti-materia. Queste sono parole vuote se non cerchiamo di spiegare la differenza tra materia e anti-materia e le diversità a livello fondamentale che caratterizzano questi due tipi di particelle.

Uno dei risultati più spettacolari della fisica teorica dello scorso secolo è stata la scoperta dell’equazione relativistica per l’elettrone da parte del fisico inglese P.A.M. Dirac. Nella ricerca di una formulazione quantistica e relativistica della teoria dell’elettrone (già misurato a suo tempo da numerosi scienziati) Dirac scoprì che l’equazione giusta ammetteva due soluzioni, per così dire, speculari. Una soluzione rappresenta correttamente l’elettrone con la sua massa, la sua carica e il suo momento angolare (spin), mentre l’altra era una soluzione con la stessa massa, la stesso momento angolare, ma carica positiva. Però per interpretare la stessa come particella, Dirac ha dovuto fare un salto intellettuale incredibile. La differenza tra una persona normale e un genio!!! La soluzione con carica positiva aveva anche energia negativa e questo da un punto di vista fisico è inconcepibile in quanto ammetterebbe la possibilità di estrarre energia da vuoto con tutte le conseguenze del caso. Di fronte a tale paradosso, Dirac immaginò che in realtà esistesse un vuoto che contenesse tutti gli stati della particella con energia negativa e quindi la particella stessa si rappresentasse come lacuna, cioè come “buco” del vuoto. A tutti gli effetti, il comportamento di tale lacuna ha le caratteristiche di una particella e ha energia positiva (togliere dal vuoto uno stato a energia negativa corrisponde ad inserire uno stato ad energia positiva). La particella “buco” o lacuna è effettivamente un’anti-particella. Non tutte le particelle ammettono una propria antiparticella, ad esempio il fotone (il quanto di luce) non ha una corrispondente antiparticella. Mentre per tutte le particelle di materia come i quarks, i leptoni (come ad esempio l’elettrone, il muone, il tau, ecc…) esistono le antiparticelle.

La descrizione teorica di Dirac prevedeva inoltre l’interazione tra particelle e antiparticelle e il fenomeno previsto più importante da un punto di fisico è l’annichilazione tra di esse. Cioè è possibile che una particella e la sua antiparticella si annichilino a vicenda producendo un fotone. Viceversa, un fotone può produrre una particella e la corrispondente antiparticella. Questo fenomeno che sta alla base di un’altra importante teoria nota come Elettrodinamica Quantistica (Qed) ci dice che effettivamente il pareggio tra materia e antimateria dovrebbe essere sempre realizzato. Cioè se si parte da una situazione neutra (tante particelle quante antiparticelle), la produzione di esse avviene sempre mantenendo lo stesso bilancio tra materia e antimateria.

Ma allora perché il nostro universo è caratterizzato da sola materia e dobbiamo produrre antimateria negli acceleratori?
Le ragioni possono essere diverse. Una ad esempio potrebbe essere che al tempo del big bang ci fosse un’abbondanza di materia sull’antimateria a tale sia rimasta. Un’altra potrebbe essere che l’evoluzione dell’universo abbia intrinsicamente un’asimmetria della fisica della materia sull’antimateria. Infine, ci potrebbe essere un’asimmetria tra la materia e l’antimateria a livello di interazioni fondamentali. Ovviamente, le tre ragioni possono coesistere e rinforzarsi a vicenda. Ma mentre le prime due sono molto
difficili da verificare, in quanto si dovrebbe poter analizzare gli istanti iniziali dell’universo (come stanno facendo gli esperimenti Planck, Ams2, ecc…) e la sua evoluzione nel corsi dei 14 miliardi di anni, la terza ipotesi è di più facile accesso tramite la fisica degli acceleratori.

In particolare, a livello fondamentale ci sono diverse particelle che interagiscono tra di loro. Il modello di riferimento è noto come Modello Standard che è caratterizzato da parecchi parametri. Tra questi, ci sono alcuni parametri che descrivono l’interazione tra i quark e i bosoni vettori W± e Z₀ e tali parametri sono denominati di Ckm (dai nomi dei fisici Cabibbo, Kobayashi e Maskawa). Uno di questi parametri predice l’asimmetria tra materia e antimateria. Ciò vuol dire che già a livello fondamentale esiste la possibilita di una asimmetria e questo si riflette a livello fenomenologico nell’asimmetria di decadimento dei mesoni B₀ rispetto al decadimento dei mesono anti-B₀. L’asimmetria è nota anche come violazione della simmetria Cp (C stà per coniugazione di carica e P stà per coniugazione di parità che significa riflessione allo specchio della descrizione).

Recentemente l’esperimento Lhcb ha osservato una preferenza per la materia sull’antimateria nei decadimenti dei mesoni B₀. È l’analisi dei dati raccolti durante i mesi di funzionamento dell’acceleratore Lhc nel 2011 che ha permesso di verificare tale risultato. Ciò è importante perché le imprecisioni statistiche (ogni esperimento di fisica è caratterizzato da errori statistici che devono essere presi in considerazione per avere sotto controllo un risultato. Non esiste una misura infinitamente precisa di una quantità fisica, ma l’incertezza è misurabile) di tali esperimenti spesso richiedono un gran numero di dati per validare una scoperta. E così è stato, il grande numero di dati acquisiti ha consentito un’analisi accurata del fenomeno. Nessun altro acceleratore ha in questo momento la capacità di produrre così tanti mesoni B₀ per poter registrare i decadimenti e le loro asimmetrie.

La violazione di Cp non è un fenomeno nuovo, è già stato osservato ai laboratory di Brookhaven negli Usa nel 1960 nel decadimento di particelle neutre note come kaoni. Circa 40 anni dopo, negli esperimenti in Giappone e Usa si è trovato un comportamento simile per I mesoni B₀. Recentemente utilizzando le fabbriche di B (che sono accelaratori relativamente piccoli che sono dedicati alla produzione di mesoni B) e l’esperimento Lhcb hanno misurato anche la violazione di Cp nei mesoni carici B₊. Queste violazioni della simmetria Cp possono essere descritte usando il modello standard delle particelle elementari, tuttavia alcune interessanti discordanze con la teoria richiedono un’indagine più accurata.

Forse con questi risultati non saremmo ancora in grado di costruire un motore materia anti-materia e fortunamente vedo improbabile che si possa usare la poca anti-materia così prodotta per compiere atti di terrorismo, tuttavia i progressi della scienza ci danno nuove informazioni sulla struttura dell’universo e sulla natura della fisica fondamentale. In futuro, questo avrà certamente ripercussioni anche pratiche, ma per il momento sono ben lungi dall’essere evidenti.

Vorrei infine sottolineare che il portavoce ufficiale dell’esperimento è Pierlugi Campana, un fisico italiano dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, questo a sottolineare ancora una volta la grande rilevanza del contributo italiano nella big physics a livello mondiale. Ovviamente il merito di tutto ciò verrà premiato con tagli, riduzione di personale e privazioni agli istituti di ricerca secondo le consuetudini della politica nazionale.
28/04/2013
Pietro Antonio Grassi - Cern Ginevra - redazione@alessandrianews.it

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