Come si “rompe” una legge di natura

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di Aldo Gagliano

Per un breve istante, alcuni scienziati del Brookhaven National Laboratory di Long Island sono riusciti ad infrangere una legge di natura.

In una minuscola frazione di secondo gli scienziati hanno “rotto” una simmetria dello spazio rendendo inesistente la parità della natura.

Che significa? Andiamo con ordine:

Molti astrofisici e cosmologi sono certi che nel nostro Universo esiste una “legge di parità”; come dire che non esiste ne la destra ne la sinistra (la politica qui non c’entra). Le leggi fisiche rimangono invariate anche se espresse in coordinate invertite.

Al principio, quando l’Universo era “vecchio” di qualche secondo o giù di li, probabilmente circa 15 miliardi di anni fa, lo spazio era formato da materia e antimateria. Ovviamente ancora non esistevano ne galassie ne stelle; non potevano esistere perché materia e l’antimateria non vanno troppo d’accordo, visto che la presenza di una annulla immediatamente l’altra (a proposito, se vi capita d’incontrare un signore fatto di antimateria, non stringetegli la mano: gli effetti sarebbero spiacevoli!).

In altre parole (più serie) quando una particella di materia entra in contatto con una particella di antimateria, avviene una “annichilazione”, ovvero si fondono trasformando tutta l’energia in loro possesso in radiazione elettromagnetica: un’altra forma di energia analoga alla luce ed alle onde radio ma di intensità molto maggiore. E questa cosa la dice molto lunga sul fatto che la massa (e quindi la materia) altro non è che una forma di energia, come ebbe a dimostrare il grande Albert Einstein nella sua teoria della Relatività.

Per essere un po’ più precisi: tutta la materia esistente è formata da atomi. L’atomo è un sistema composto da particelle di carica elettrica negativa, chiamate elettroni, orbitanti (ma sarebbe più giusto dire “viaggianti”) intorno al nucleo centrale di carica positiva. Ora, la struttura dell’atomo si può immaginare composta da antiparticelle assolutamente identiche alle sorelle citate ma con carica opposta. Quindi antielettroni (di carica elettrica positiva) e antinuclei dotati di carica elettrica negativa. Non è uno scherzo. Nei laboratori ad alta energia gli scienziati sono in grado di produrre queste antiparticelle in modo normale, senza neanche troppi sforzi, o quasi.

Paul Dirac

Il primo ad ipotizzare l’esistenza di antimateria fu un certo Paul Dirac, nel 1928. Da quel momento avvenne una rivoluzione fisica e concettuale incredibile, che portò alla nascita di una nuova disciplina scientifica, la meccanica quantistica. Ma qui non facciamo storia quindi i più curiosi si documentino in altre parti. Posso solo aggiungere che l’ipotesi di Dirac era troppo ardita e “avanti” persino per le menti più fini di quei tempi. Fortunatamente nel 1932 un altro signore di nome Carl Anderson, giovane fisico del California Institute of Technology,  durante un esperimento sullo studio dei raggi cosmici (il flusso di particelle proveniente dallo spazio) per puro caso si trovò di fronte ad un ospite inaspettato: una traccia di particella che non doveva esistere.

L’esperimento era basato sul controllo delle tracce lasciate dalle particelle dei raggi cosmici che attraversando una camera a nebbia (un apparato sostanzialmente pieno di vapore) lasciano una sottile scia di “bollicine”. Carl, che sapeva guardare quello che faceva, trovò  una traccia sospetta: una particella di massa uguale all’elettrone ma con carica elettrica contraria (positiva anziché negativa). La prima prova dell’esistenza dell’antielettrone! Per la cronaca: oggi lo chiamiamo “positrone”. Quindi l’antimateria esiste o perlomeno si può ricreare in laboratorio.

Allora, dicevamo che l’antimateria non va per nulla d’accordo con la materia. E lo sappiamo bene visto che siamo composti di materia. D’altronde, il fatto che non “vediamo” l’antimateria è una cosa ben logica. L’annichilazione tra le particelle, come detto prima, è la ragione, e nell’Universo domina (fortunatamente?) la materia.

Ma proprio questo è il punto: perché?

Come mai la materia ha “avuto la meglio” sulla sua rivale? Cosa ha permesso la sconfitta di una nei confronti dell’altra? E se avesse “vinto” l’antimateria, come sarebbe oggi l’Universo? Esattamente simmetrico e contrario a quello che conosciamo o non ci saremmo neanche accorti della differenza? O non saremmo qui a parlare di queste cose?

Sempre all’inizio della formazione dell’Universo, pochi istanti dopo il Big Bang la densità e la temperatura del Cosmo erano altissime, tali da permettere la creazione continua di particelle e antiparticelle a partire dalla radiazione elettromagnetica. Ma contemporaneamente queste coppie si distruggevano continuamente (annichilazione) trasformandosi di nuovo in radiazione elettromagnetica. Nel frattempo l’Universo si espandeva e si raffreddava. La conversione di materia ed antimateria in radiazione diventava sempre maggiore rispetto al contrario, ovvero “da radiazione” in materia.

il processo di annichilazione fra particelle e antiparticelle portò alla completa scomparsa dell’antimateria, ma sorprendentemente una piccolissima quantità di materia sopravvisse.

Si suppone che meno di una parte su un miliardo delle particelle esistenti nei primi istanti dopo il Big Bang sopravvisse in forma di materia rispetto all’antimateria. Eppure questo piccolissimo residuo di materia ha permesso nei miliardi di anni successivi la formazione di galassie, stelle, pianeti e noi che in questo momento ne stiamo parlando.

Ricapitoliamo:

esiste la materia. La prova minima, se volete, siamo noi. Esiste però anche l’antimateria. La prima, non sappiamo se per simpatia o per forza o per fortuna, ha vinto sulla seconda. Perché?

L'acceleratore LHC a Ginevra

Un modo per cercare di capire (mi spiace, vi aspettavate una risposta precisa?) cosa è successo è cercare di riprodurre le condizioni primordiali di 15 miliardi di anni fa in laboratorio. Se si fanno scontrare ad altissima velocità particelle molto energetiche tra loro, in un certo qual modo si ricreano le condizioni dette sopra. A questo (in parte) servono gli acceleratori di particelle, quei misteriosi tubi costruiti dall’uomo e lunghi decine di chilometri sotto la superficie terrestre. Gli studi continuano, ma oggi si sa qualcosa in più. Una teoria ad esempio postula la maggioranza di materia rispetto all’antimateria perché le due forme di materia hanno comportamenti leggermente diversi, tali da non consentire, anzi, di rompere, l’originaria simmetria del sistema.

Alcuni invece ipotizzano che l’antimateria, nei confronti della gravità, si comporti in maniera opposta alla materia. La gravità potrebbe agire sull’antimateria come forza repulsiva.

O ancora l’universo sarebbe riuscito a conservare la simmetria necessaria perché originariamente si sarebbe diviso in due o più isole, ognuna contenenti rispettivamente solo materia o solo antimateria. In questo caso esisterebbe una zona di confine che separa tali spazi. Diversi universi uguali e contrari. Purtroppo gli esperimenti con raggi gamma che hanno cercato di individuare l’emissione che questo confine dovrebbe generare, non hanno mai avuto successo.

Ma torniamo finalmente all’esperimento del Brookhaven National Laboratory:

un team composto da una dozzina di fisici delle particelle, tra cui Jack Sandweiss e Yale Donner professore di fisica, hanno creato  una specie di plasma composto da quark e gluoni (mattoni fondamentali della materia), ovvero una “zuppa” che può esistere soltanto quando le energie raggiungono livelli altissimi capaci di “rompere” protoni e neutroni e scomporli nei loro quark costituenti. Va detto che ciò può avvenire se la temperatura raggiunge i 4 miliardi di gradi Celsius, la temperatura dell’Universo all’età di un microsecondo di vita! L’esperimento, realizzato nel Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ha provocato questa rottura di particelle per una durata di 1 miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Sono stati fatti urtare tra loro dei nuclei di particelle di oro, spinti al 99,999% della velocità della luce. Il plasma che ne è venuto fuori era così energico che un cubo minuscolo di esso, con lati di misura di circa un quarto della larghezza di un capello umano, potrebbe contenere energia elettrica sufficiente per tutti gli Stati Uniti per la durata di un anno.

Il relativo campo magnetico prodotto – il più forte mai creato – fa realmente pensare ai fisici che una delle leggi della natura potrebbe essere stata violata. Infatti la squadra, comprendente anche gli scienziati Evan Finch, Alexei Chikanian e Richard Majka, hanno rilevato che i quark si sono spostati insieme di un segno: per i ricercatori è questa la prova che la simmetria è stata rotta.

I risultati sono stati così inaspettati che Sandweiss e i suoi colleghi hanno aspettato più di un anno prima di pubblicare la ricerca, cercando nel contempo una spiegazione alternativa. Tutto questo suggerisce comunque soltanto un effetto di violazione di parità. Si è infatti deciso di aprire la ricerca ad un controllo da parte altri fisici.

“Penso che sia un effetto reale, ma ne sapremo di più nei prossimi anni”, ha detto Sandweiss.

Successivamente, il team vuole mettere alla prova il risultato eseguendo l’esperimento a basse energie di collisione per verificare se la violazione apparente scompare quando non c’è abbastanza energia per creare le condizioni necessarie estreme.

Se l’effetto si rivelerà reale, potrebbe aiutare gli scienziati a capire uno dei misteri fondamentali della fisica, cioè l’asimmetria che ha portato alla predominanza della materia rispetto all’antimateria; vale a dire, perché l’Universo è oggi dominato da materia ordinaria, quando la stessa quantità di materia e antimateria sono stati creati dal Big Bang.

Di seguito un breve video (in inglese) dove il fisico Paul Sorensen descrive le scoperte fatte al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un acceleratore di particelle presso il Department of Energy Brookhaven National Laboratory