Cosmologia

Perché l'Universo è fatto di materia e non di antimateria? Il nuovo esperimento dà un suggerimento allettante.

2024

Gli scienziati che sparano ai neutrini attraverso la Terra potrebbero hai fatto un passo decente per rispondere a una delle domande più elementari e aggravanti che l'Universo ci ha posto: perché tutto è fatto di materia e non di antimateria?

Oh, conosci il termine antimateria . Un caposaldo della fantascienza, tra cui Star Trek , è lo stesso della materia ma con una carica elettrica opposta. Quindi un anti-elettrone, chiamato positrone, ha tutte le stesse identiche proprietà di un elettrone ma ha una carica elettrica positiva invece di una negativa. Un antiprotone è come un protone ma con una carica negativa, e così via.

Un'altra proprietà divertente dell'antimateria è che se prendi una particella e la sua antiparticella e le metti insieme, bang. Big, big bang: si convertono in pura energia. UN quantità di energia. Se incontrassi l'anti-Phil e decidessimo di ballare, esploderemmo con la stessa energia di 3.500 armi nucleari da un megatone .

la società segreta dei reali secondogeniti

L'antimateria non è malvagia, ma non vuoi metterla insieme alla materia. Credito: Phil Plait

E questo è un problema (oltre a rovinare un rave). Vedete, secondo le leggi della fisica come le intendiamo noi, quando l'Universo era molto giovane - solo di pochi minuti - e la sua temperatura scese abbastanza mentre si espandeva , avrebbe dovuto creare uguali quantità di materia e antimateria.

Ma se fosse vero, ogni particella avrebbe incontrato la sua antiparticella, e ka colpa . Non dovrebbe esserci alcuna materia o antimateria nel cosmo. Sarebbero stati tutti annientati. Eppure eccoci qua.

In realtà i due non erano uguali. Per ogni miliardo circa di coppie di particelle di materia/antimateria, c'era una particella di materia residua. Non molto, ma abbastanza per spiegare tutte le galassie, le stelle, i pianeti, le persone e le tazze di tè Earl Grey che vediamo oggi dopo che tutte le altre coppie sono state annientate.

Ma perché? Perché l'asimmetria?

Deve essere che le nostre leggi sulla simmetria materia/antimateria siano in qualche modo violate, che l'antimateria no Esattamente come la materia in qualche modo. Ma cosa?

Gli scienziati hanno cercato a lungo questa asimmetria . La fisica dettagliata è interessante - c'è una fantastica spiegazione di questo nel sito dell'esperimento DAEδALUS — ma non hai bisogno di tutto per capire la parte successiva, che è ciò che gli scienziati stanno facendo per trovarla.

OK, facciamo un salto qui per un secondo. C'è un altro tipo di particella subatomica chiamata neutrino. Ha molte proprietà strane, come essere in grado di passare attraverso molta materia normale come se non ci fosse; semplicemente non interagisce molto con la materia. Un pochino, ma non molto. Sono inoltre disponibili in tre diversi gusti, chiamati muoni, elettroni e neutrini tau. Un tipo di neutrino può trasformarsi spontaneamente in un altro tipo mentre viaggia nello spazio.

E il motivo per cui li cito qui è che quando si esaminano le equazioni incredibilmente complesse che governano i neutrini e i loro equivalenti di antimateria, si scopre che potrebbero non agire allo stesso modo. Potrebbe davvero esserci un'asimmetria lì, quindi è lì che gli scienziati hanno concentrato i loro sforzi.

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Ed ecco dove arriviamo alla parte molto interessante: gli scienziati con la collaborazione T2K appena annunciato potrebbero aver misurato questa violazione di simmetria nei neutrini . I risultati non sono solidi come una roccia, ma sono molto interessanti.

L'esperimento prevede la creazione di un fascio di neutrini muonici e il suo lancio dal Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) attraverso la Terra solida a 295 chilometri di distanza fino al rivelatore di neutrini Super-Kamiokande.

Lo fanno accelerando i protoni in un campione di carbonio, che poi emette neutrini muonici in un raggio mirato a Super-Kamiokande. Quando arriveranno lì un millisecondo dopo (!!) pochissimi di questi neutrini colpiranno un atomo nelle 50.000 tonnellate di acqua purissima immagazzinata in un serbatoio e creare un muone, un altro tipo di particella. La maggior parte dei neutrini, però, passa attraverso, motivo per cui ci sono voluti 20 anni a sbattere il carbonio con i protoni per ottenere dei risultati.

Ma alcuni cambiano sapore, diventando elettrone neutrini in quel poco tempo prima che raggiungano il serbatoio dell'acqua. Quando ciò accade, colpiscono gli atomi nel serbatoio e creano un elettrone invece di un muone.

Inoltre, JPARC può creare muoni anti anche i neutrini. Succede la stessa cosa: alcuni producono muoni nel serbatoio, altri si trasformano in antineutrini elettronici e producono elettroni.

Trovare l'antimateria è facile se conosci gli indizi da cercare. Credito: Shutterstock / Phil Plait

Se la simmetria materia/antimateria è valida, allora il rapporto tra muoni ed elettroni generati dai neutrini dovrebbe essere lo stesso degli antineutrini. Ma quello che hanno scoperto è che il rapporto sembra essere diverso! I neutrini muonici sembrano trasformarsi in neutrini elettronici più delle loro controparti di antimateria.

Molto grande, se vero.

ruota della fortuna amore invertito

Le leggi della fisica distinguono tra materia e antimateria? Questo esperimento suggerisce che la risposta è sì. Il problema è che non è definitivo. Il gold standard è che, statisticamente, hai una fiducia del 99,7% in un risultato (chiamato standard 5-sigma). Questo risultato ha un numero basso di risultati, dando una certezza statistica di 'solo' 95% (3 sigma). È molto provocatorio, ma non concreto, e non si può ancora definire una scoperta.

Oh, ma è mooooolto allettante.

Nelle diaboliche equazioni che governano il comportamento del neutrino in esame c'è un parametro chiamato delta-CP; se c'è differenza tra materia e antimateria è in quel numero. Può assumere molti valori in teoria, ma questo esperimento sembra escluderne circa la metà in pratica. Questo si restringe proprio dove gli scienziati devono guardare nelle equazioni per vedere come si comporta l'Universo, perché preferisce la materia all'antimateria. È necessario molto più lavoro, ma questi risultati sembrano almeno indicare una direzione da prendere, che è più di quanto avessimo prima.

Ed ehi: Lungo la via della comprensione solo perché al cosmo piace un tipo di particella piuttosto che un altro, potremmo capirlo come per farne uno sopra l'altro. E poi chissà dove potremo coraggiosamente andare?