Un universo primordiale con particelle e antiparticelle che si annichilano, sopravvive un piccolo eccesso di materia.
Al principio, dopo il Big Bang, materia e antimateria dovrebbero essere state create in quantità uguali. Eppure oggi l'universo è fatto quasi solo di materia. Capire perchè questa simmetria si sia rotta è una delle domande più profonde sulla nostra stessa esistenza. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.
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L'annichilazione che non c'è stata
Quando l'universo aveva meno di un miliardesimo di secondo, un mare di particelle e antiparticelle si scontrava e si annichiliva in lampi di energia pura. Secondo le leggi della fisica, materia e antimateria si sarebbero dovute distruggere a vicenda quasi completamente, lasciando solo un tenue brodo di radiazione. E invece, per ogni miliardo di coppie annichilite, una particella di materia è sopravvissuta. Quel minuscolo residuo è tutto ciò che oggi forma stelle, pianeti e persone.
La domanda è: da dove viene questa asimmetria? La quantità di materia in eccesso è stata misurata con estrema precisione grazie alla radiazione cosmica di fondo, e corrisponde a circa sei particelle di materia per ogni dieci miliardi di fotoni. Una briciola, ma decisiva.
Le tre condizioni di Sakharov
Nel 1967 il fisico russo Andrei Sakharov dimostrò che per generare un eccesso di materia da una situazione iniziale perfettamente simmetrica, devono verificarsi tre cose. Primo: deve esistere un processo che violi il numero barionico, cioè che trasformi particelle in antiparticelle senza bilanciare il conto. Secondo: devono essere violate le simmetrie C (coniugazione di carica) e CP (coniugazione di carica e parità), altrimenti materia e antimateria si comporterebbero sempre allo stesso modo. Terzo: l'universo deve trovarsi fuori dall'equilibrio termico, perchè in equilibrio ogni reazione viene bilanciata da quella inversa.
Il Modello Standard della fisica delle particelle, la nostra teoria più completa, soddisfa tutte e tre le condizioni, ma con un'intensità ridicola. La violazione del numero barionico avviene tramite le transizioni “sfalleroniche” ad altissime temperature, capaci di convertire leptoni in barioni. Tuttavia, la violazione CP, originata dalla fase complessa della matrice CKM che governa i decadimenti dei quark, è troppo debole: produrrebbe un eccesso di materia miliardi di volte inferiore a quello osservato.
Inoltre, la transizione di fase elettrodebole, che separò la forza nucleare debole da quella elettromagnetica, non fu abbastanza violenta da allontanare il sistema dall'equilibrio. Con un bosone di Higgs di 125 GeV, la transizione fu un “crossover” graduale, che cancellò gran parte dell'asimmetria eventualmente accumulata.
Nuove strade: WIMPy Baryogenesis e leptogenesi
Per aggirare l'insufficienza del Modello Standard, i fisici esplorano estensioni esotiche. Un'idea affascinante è la “WIMPy Baryogenesis”: le stesse particelle di materia oscura (WIMP) che si annichilano nell'universo primordiale potrebbero aver prodotto l'eccesso di materia. In questo scenario, la densità di materia oscura e quella della materia ordinaria sono collegate e vengono spiegate con un unico meccanismo.
Un'altra ipotesi gettonata è la leptogenesi. Prima di generare barioni, l'universo avrebbe sviluppato uno squilibrio nei leptoni (elettroni e neutrini) attraverso il decadimento di neutrini pesanti. Successivamente, gli sfalleroni avrebbero trasformato parte di questo eccesso leptonico in barioni. La leptogenesi si sposa bene con l'esistenza di neutrini dotati di massa, un fatto già dimostrato sperimentalmente.
Esperimenti al confine della conoscenza
Per verificare queste teorie, gli scienziati cercano segnali di violazione di CP più marcata in laboratorio, per esempio misurando con maggiore precisione le oscillazioni dei neutrini o il momento di dipolo elettrico dell'elettrone. Al CERN di Ginevra, l'esperimento LHCb studia decadimenti rari di mesoni contenenti quark pesanti per scovare differenze tra materia e antimateria che vadano oltre le previsioni standard.
L'esistenza stessa di un universo pieno di cose, anzichè di sola luce, è un regalo di un'asimmetria primordiale. Ogni volta che guardiamo il cielo stellato, possiamo ringraziare una particella su un miliardo che decise di non annichilirsi. Capire il perchè di quella scelta è la sfida che tiene svegli i fisici di tutto il mondo.
