Uno dei grandi misteri della fisica. Dov’è finita tutta tutta l’antimateria?

La materia ha anche un suo opposto, l’antimateria. Materia e antimateria non riescono a stare insieme: si annichilirebbero a vicenda. Un esperimento fatto nel 1964 simostrò che materia e antimateria furono prodotte nella stessa quantità al momento del Big Bang; poi, come in un duello, scomparvero, ma non completamente.

Alla fine è sopravvissuta una piccola quantità di materia: quella di cui è fatto il mondo in cui viviamo, compresi noi stessi. Perché sia successo questo è ancora un mistero e la cosa più logica è che da qualche parte esista ancora anche la stessa quantità di antimateria.

Che cos’è l’antimateria

Ogni oggetto che ci circonda è fatto di materia. Ma se ogni cosa è di materia, che cosa è allora l’antimateria? Per avere la risposta bisogna tornare indietro nel tempo fino agli anni ’30.
Nel 1928 Dirac formulò una teoria per il moto degli elettroni in campi elettrici e magnetici, includendo sia effetti quantistici che effetti relativistici.

Questa teoria, in grado di descrivere i risultati delle misure sperimentali in modo eccezionalmente preciso, portò anche ad una sorprendente previsione. L’elettrone doveva avere una “antiparticella” con stessa massa ma carica elettrica opposta a quella negativa di un normale elettrone. La previsione di Dirac trovò conferma sperimentale nel 1932.

A ogni particella corrisponde quindi una “antiparticella”: così l’elettrone ha come antiparticella una particella di carica positiva, il positrone; il protone ha l’antiprotone, eccetera.

In generale, la distinzione tra particella e antiparticella è puramente convenzionale. Si dicono “particelle” quelle che si trovano in superiorità nel nostro ambiente fisico, come gli elettroni e i protoni. In un simile ambiente le loro antiparticelle scompaiono per annichilazione, sono cioè effimere.

Per produrre le antiparticelle si può generare un urto tra due particelle ad alta energia. In questo caso una parte di energia si converte in materia e antimateria.

antimateria
Rappresentazione artistica di un atomo di idrogeno e di uno di anti-idrogeno. (Credit: INFN-Notizie N.13 febbraio 2003 “A caccia di antimateria: l’esperimento ATHENA” )

Oggi sappiamo che tutte le particelle con momento angolare intrinseco semi-intero, devono avere un’antiparticella. Mentre la massa di particelle e antiparticelle è identica, altre proprietà sono caratterizzate da valori che hanno segno matematico opposto. Ad es. l’antiprotone ha la stessa massa del protone ma carica elettrica opposta (la carica del protone è positiva, quella dell’antiprotone è negativa).

Anche alle particelle elettricamente neutre, come il neutrone, corrispondono antiparticelle. Esse possiedono proprietà, con segno cambiato, differenti dalla carica elettrica, ad es., il momento magnetico intrinseco. Quando materia e antimateria si incontrano diventano energia.

Problema dell’asimmetria

Il Big Bang avrebbe dovuto creare quantità uguali di materia e antimateria nell’universo primordiale. Ma oggi, tutto ciò che vediamo dalle più piccole forme di vita sulla Terra ai più grandi oggetti stellari è fatto quasi interamente di materia. Comparativamente, non c’è molta antimateria da trovare. Qualcosa deve essere successo per ribaltare l’equilibrio. Una delle più grandi sfide della fisica è capire cosa è successo all’antimateria, o perché vediamo un’asimmetria tra materia e antimateria.

Le particelle di materia e di antimateria sono sempre prodotte in coppia e, se entrano in contatto, si annullano a vicenda, lasciandosi dietro pura energia. Durante le prime frazioni di un secondo del Big Bang , l’universo caldo e denso era ronzante di coppie particella-antiparticella che spuntano dentro e fuori dall’esistenza. Se la materia e l’antimateria vengono create e distrutte insieme, sembra che l’universo non debba contenere altro che energia residua.

Tuttavia, una piccola parte della materia, circa una particella per miliardo, è riuscita a sopravvivere. Questo è ciò che vediamo oggi. Negli ultimi decenni, gli esperimenti di fisica delle particelle hanno dimostrato che le leggi della natura non si applicano allo stesso modo alla materia e all’antimateria. I fisici sono desiderosi di scoprire i motivi per cui. I ricercatori hanno osservato trasformazioni spontanee tra le particelle e le loro antiparticelle, che si verificano milioni di volte al secondo prima di decadere. Qualche entità sconosciuta intervenuta in questo processo nell’universo primordiale avrebbe potuto far decadere queste particelle “oscillanti” come materia più spesso di quanto non fossero decadute come antimateria.

antimateria

Considera una moneta che gira su un tavolo. Può atterrare sulla testa o sulla coda, ma non può essere definito “testa” o “croce” finché non smette di ruotare e cade da un lato. Una moneta ha 50-50 possibilità di atterrare sulla sua testa o sulla sua coda, quindi se abbastanza monete vengono girate esattamente allo stesso modo, la metà dovrebbe atterrare sulle teste e l’altra metà sulle code. Allo stesso modo, metà delle particelle oscillanti nell’universo primordiale dovrebbe essere decaduta come materia e l’altra metà come antimateria.

Tuttavia, se un tipo speciale di marmo rotolasse su un tavolo di monete rotanti e causasse ogni moneta che colpiva per atterrare sulla sua testa, ciò avrebbe disturbato l’intero sistema. Ci sarebbero più teste che croce. Allo stesso modo, alcuni meccanismi sconosciuti potrebbero aver interferito con le particelle oscillanti per causare il decadimento di una piccola maggioranza di essi come materia. I fisici possono trovare suggerimenti su quale potrebbe essere questo processo studiando le sottili differenze nel comportamento delle particelle di materia e di antimateria create in collisioni di protoni ad alta energia al Large Hadron Collider. Studiare questo squilibrio potrebbe aiutare gli scienziati a dipingere un’immagine più chiara del perché il nostro universo è pieno di materia.

VIDEO Materia e antimateria, catturato l’antiidrogeno FISICA DELLE PARTICELLE RAI3 TGR LEONARDO

Nei dettagli

l problema dell’asimmetria barionica, noto anche come problema di asimmetria della materia o problema di asimmetria materia-antimateria è lo squilibrio osservato nella materia barionica (il tipo di materia sperimentato nella vita quotidiana) e la materia antibarionica nell’universo osservabile. Né il modello standard della fisica delle particelle, né la teoria della relatività generale forniscono una spiegazione nota del motivo per cui dovrebbe essere così, ed è naturale supporre che l’universo sia neutro con tutte le cariche conservate.  Il Big Bang avrebbe dovuto produrre quantità uguali di materia e antimateria. Dal momento che così non è, molto probabilmente alcune leggi fisiche hanno agito in modo diverso o addirittura non si pensa che non fossero esistite per la materia e l’ antimateria.

Esistono diverse ipotesi in competizione per spiegare lo squilibrio di materia e antimateria che ha portato alla bariogenesi. Tuttavia, non esiste ancora una teoria chiara per spiegare il fenomeno. Come osservato in un documento del 2012, “L’origine della materia rimane uno dei grandi misteri della fisica”.

Condizioni di Sakharov

Nel 1967, Andrei Sakharov propose un insieme di tre condizioni necessarie che un’interazione generatrice di barioni deve soddisfare per produrre materia e antimateria a velocità diverse. Queste condizioni sono state ispirate dalle recenti scoperte della radiazione cosmica di fondo e dalla violazione di CP nel sistema di kaoni neutri. Le tre necessarie “condizioni di Sakharov” sono:

  • Numero barionico B violazione.
  • Simmetria C e violazione della simmetria CP.
  • Interazioni dall’equilibrio termico.

Regioni dell’universo in cui domina l’antimateria

Un’altra possibile spiegazione dell’asimmetria apparente del barione è che la materia o l’antimateria sono essenzialmente separate in diverse regioni dell’universo separate. La formazione delle galassie di antimateria era originariamente pensata per spiegare l’asimmetria barionica, poiché da lontano gli atomi di antimateria sono indistinguibili dagli atomi di materia; entrambi producono luce (fotoni) allo stesso modo.

Lungo il confine tra la materia e le regioni di antimateria, l’annientamento (e la conseguente produzione di radiazioni gamma) sarebbe rilevabile a seconda della sua distanza e della densità della materia e dell’antimateria. Tali confini, se esistono, probabilmente si troverebbero in uno spazio intergalattico profondo. La densità della materia nello spazio intergalattico è ragionevolmente ben stabilita a circa un atomo per metro cubo.

Supponendo che questa sia una densità tipica vicino a un confine, è possibile calcolare l’intensità del raggio gamma della zona di interazione al confine. Non sono state rilevate zone del genere, ma 30 anni di ricerca hanno posto limiti su quanto potrebbero essere. Sulla base di tali analisi, si ritiene ora improbabile che qualsiasi regione all’interno dell’universo osservabile sia dominata dall’antimateria. 

Un tentativo di spiegare la mancanza di interfacce osservabili tra la materia e le regioni dominate dall’antimateria è che sono separate da uno strato di Leidenfrost di materia molto calda creata dall’energia rilasciata dall’annientamento. Questo è simile al modo in cui l’acqua può essere separata da una piastra calda da uno strato di acqua evaporata, ritardando l’evaporazione di più acqua.

Parametro di asimmetria barione

Le sfide alle teorie della fisica sono quindi spiegare come produrre la predominanza della materia sull’antimateria e anche l’ entità di questa asimmetria. Un quantificatore importante è il parametro di asimmetria ,

Questa quantità mette in relazione la differenza di densità numerica complessiva tra i barioni e gli antibiononi (n B e n B , rispettivamente) e la densità numerica dei fotoni di radiazione di fondo cosmici n γ .

Secondo il modello del Big Bang, la materia si separa dalla radiazione cosmica di fondo (CBR) ad una temperatura approssimativa di 3000 Kelvin, corrispondente ad una media energia cinetica di 3000 K / (10,08 × 10 3  K / eV ) = 0,3 eV . Dopo il disaccoppiamento, il numero totale di fotoni CBR rimane costante. Pertanto, a causa dell’espansione spazio-temporale, la densità del fotone diminuisce. La densità di fotoni alla temperatura di equilibrio T per centimetro cubo, è data da

con k B come costante di Boltzmann, ħ come costante di Planck divisa per 2π e c come velocità della luce nel vuoto, e ζ (3) come costante di Apéry. Alla temperatura corrente del fotone CBR di 2,725 K questo corrisponde a una densità di fotoni n γ di circa 411 fotoni CBR per centimetro cubo.

Pertanto, il parametro di asimmetria η, come sopra definito, non è il parametro “buono”. Invece, il parametro di asimmetria preferito utilizza la densità di entropia s,

perché la densità di entropia dell’universo è rimasta ragionevolmente costante durante la maggior parte della sua evoluzione. La densità di entropia è

con p e ρ come la pressione e la densità dal tensore di densità di energia T μν e g * come il numero effettivo di gradi di libertà per particelle “senza massa” (in quanto mc 2 «k B T detiene) alla temperatura T,

per bosoni e fermioni con g i e g j gradi di libertà alle temperature T i e T j rispettivamente. Nell’era attuale, s =7.04n γ .

 

Riferimenti e approfondimenti

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  2. Sather, Eric. “Il mistero dell’asimmetria della materia” (PDF) . Università Vanderbilt . Estratto il 3 aprile 2018 .
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Non è vero che Luce ed Antiluce, ovvero Materia ed Antimateria si annichilirebbero se fossero in contatto, la materia si annichilisce se gli viene sparata contro della stessa materia con segno energetico opposto, che non è antimateria, ma diverrebbe a quel punto antimateria.
L’antimateria è resa stabile nei suoi componenti, per questo motivo è invisibile, non produce movimento, ma l’antimateria per avere “problemi” dal contatto con la materia deve essere resa instabile e quindi non sarebbe più antimateria.
Mi è stato insegnato che Materia +Antimateria = Sulermateria

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