Il CERN ha scoperto un altro indizio del mistero dell'antimateria scomparsa nell'Universo

Questo è uno dei più grandi misteri della fisica. Tutte le particelle che compongono la materia intorno a noi - elettroni e protoni - hanno versioni di antimateria quasi identiche, ma con proprietà speculari, come la carica elettrica opposta.

Quando l'antimateria e una particella di materia si incontrano, si annientano in un'esplosione di energia.

Se antimateria e materia sono davvero identiche, ma immagini speculari l'una dell'altra, avrebbero dovuto essere prodotte in quantità uguali durante il Big Bang. Il problema è che distruggerebbe tutto. Ma oggi non c'è quasi più antimateria nell'Universo: appare solo in alcuni decadimenti radioattivi e in una piccola parte dei raggi cosmici.

Allora cosa gli è successo? Utilizzando l'esperimento LHCb del CERN per studiare la differenza tra materia e antimateria, abbiamo scoperto un nuovo modo di fare questa differenza.

L'esistenza dell'antimateria fu predetta dall'equazione del fisico Paul Dirac che descriveva il moto degli elettroni nel 1928. All'inizio non era chiaro se si trattasse solo di un capriccio matematico o di una descrizione di una particella reale.

Ma nel 1932, Karl Anderson scoprì l'antimateria, il partner dell'elettrone, il positrone, nello studio dei raggi cosmici che cadono sulla Terra dallo spazio. Nel corso dei decenni successivi, i fisici scoprirono che tutte le particelle di materia hanno partner di antimateria.

Gli scienziati ritengono che in uno stato molto caldo e denso, subito dopo il Big Bang, avrebbero dovuto verificarsi processi in cui la materia preferiva l'antimateria. Ciò ha creato un leggero eccesso di materia e quando l'universo si è raffreddato, tutta l'antimateria è stata distrutta o annientata da una pari quantità di materia, lasciando un minuscolo eccesso di materia.

Ed è questo eccesso che costituisce tutto ciò che vediamo oggi nell'universo.

Non è chiaro esattamente quali processi abbiano portato al surplus, ei fisici lo stanno osservando da vicino da decenni.

Il comportamento dei quark, che sono i mattoni fondamentali della materia insieme ai leptoni, può far luce sulla differenza tra materia e antimateria. I quark sono disponibili in molti tipi diversi o "sapori" noti come top, bottom, charming, odd, diligent e true, più sei antiquark corrispondenti.

I quark up e down sono ciò che compone i protoni e i neutroni nei nuclei della materia ordinaria e altri quark possono essere formati da processi ad alta energia, ad esempio quando le particelle si scontrano in acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN.

Le particelle composte da un quark e un antiquark sono chiamate mesoni e ci sono quattro mesoni neutri (B0S, B0, D0 e K0) che mostrano un comportamento eccitante. Possono trasformarsi spontaneamente nel loro partner antiparticellare e poi tornare indietro - un fenomeno che è stato osservato per la prima volta nel 1960.

Poiché sono instabili, ad un certo punto durante la loro oscillazione "decadranno" - cadranno a pezzi - in altre particelle più stabili. Questo decadimento dei mesoni si verifica in modo leggermente diverso rispetto agli antimesoni, il che, combinato con l'oscillazione, significa che la velocità di decadimento cambia nel tempo.

Le regole per vibrazioni e decadimenti sono date da un quadro teorico chiamato Meccanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Predice che c'è una differenza nel comportamento della materia e dell'antimateria, ma è troppo piccola per generare l'eccesso di materia nell'universo primordiale necessario per spiegare l'abbondanza che vediamo oggi.

Ciò indica che c'è qualcosa che non capiamo e che lo studio di questo argomento può mettere in discussione alcune delle nostre teorie più fondamentali in fisica.

Nuova fisica?

Il nostro recente risultato dell'esperimento LHCb è lo studio dei mesoni B0S neutri, lo studio del loro decadimento in coppie di mesoni K carichi. I mesoni B0S sono stati creati facendo collidere protoni con altri protoni al Large Hadron Collider, dove hanno oscillato nella loro anti-stagione e sono rimbalzati indietro di tre trilioni di volte al secondo. Le collisioni hanno anche creato mesoni anti-B0S che oscillano allo stesso modo, dandoci campioni di mesoni e antimesoni che potremmo confrontare.

Abbiamo contato il numero di decadimenti nei due campioni e confrontato i due numeri per vedere come questa differenza cambiava con lo sviluppo delle fluttuazioni. C'era una leggera differenza: si sono verificati più decadimenti per uno dei mesoni B0S. E per la prima volta per i mesoni B0S, abbiamo notato che la differenza di decadimento o asimmetria cambia a seconda delle vibrazioni tra il mesone B0S e l'antimesone.

Oltre ad essere un'importante pietra miliare nello studio della differenza tra materia e antimateria, siamo stati anche in grado di misurare la dimensione delle asimmetrie. Questo può essere tradotto in misurazioni di diversi parametri della teoria sottostante.

Il confronto dei risultati con altre misurazioni fornisce un controllo di coerenza sul fatto che la teoria attualmente accettata sia una descrizione corretta della natura. Poiché la leggera preferenza per la materia rispetto all'antimateria che osserviamo su scala microscopica non può spiegare la schiacciante abbondanza di materia che osserviamo nell'universo, è probabile che la nostra attuale comprensione sia un'approssimazione di una teoria più fondamentale.

L'esame di questo meccanismo, che sappiamo può generare un'asimmetria di materia e antimateria esaminandolo da diverse angolazioni, può dirci qual è il problema. Esplorare il mondo su scala più piccola è la nostra migliore possibilità per capire ciò che vediamo su scala più grande.

Lars Eklund, Professore di Fisica delle Particelle, Università di Glasgow.

Ristampato da The Conversation.