Perché esiste l’universo? O meglio: perché esiste qualcosa invece del nulla? Materia e antimateria avrebbero dovuto annientarsi a vicenda subito dopo il Big Bang. Eppure, 13,8 miliardi di anni dopo, tu, fatto di sola materia, stai leggendo queste righe su un dispositivo anch’esso composto di materia. In qualche modo, nei primissimi istanti dopo il Big Bang, per ogni miliardo di coppie di particelle e antiparticelle, una particella di materia si è salvata. Ed è grazie a quell’unica sopravvissuta che oggi esiste l’universo che conosciamo.
Un nuovo esperimento condotto al CERN, pubblicato mercoledì sulla rivista Nature, getta una nuova luce su uno dei possibili motivi di questo squilibrio cosmico.
Nel cuore del laboratorio sotterraneo di Ginevra, un’équipe internazionale di fisici ha analizzato i dati raccolti tra il 2011 e il 2018 con LHCb, il rilevatore del Large Hadron Collider, la macchina più potente mai costruita per far collidere protoni a energie estreme. Il loro scopo? Catturare le più impercettibili discrepanze tra la materia e l’antimateria.
Secondo le teorie finora condivise, il Big Bang avrebbe prodotto quantità perfettamente simmetriche di materia e antimateria. Ogni volta che una particella di materia incontra la sua controparte si annichilano in un lampo di energia pura. Se tutto fosse andato secondo questo schema, l’universo si sarebbe dissolto in una catastrofica esplosione di radiazioni. Invece, per qualche motivo ancora oscuro, per ogni miliardo di coppie materia-antimateria, è sopravvissuta una sola particella di materia. E quella particella in più, replicata su scala cosmica, è ciò che compone oggi galassie, stelle, pianeti… e noi.
Questa inclinazione delle leggi fisiche a favore della materia si chiama violazione di carica-parità, o più brevemente CP violation.
Il nuovo studio si è concentrato su una particella piuttosto esotica chiamata beauty-lambda baryon (Λb), un cugino più pesante del neutrone, al cui interno uno dei quark down è stato sostituito da un quark beauty (o bottom). Grazie alle collisioni tra protoni, i ricercatori hanno potuto osservare sia il decadimento della versione ordinaria della particella sia quello della sua versione antimateria, la anti–beauty-lambda baryon.
E qui arriva il colpo di scena: la particella di materia, nei diversi test, aveva una probabilità di decadere di qualche punto percentuale più alta rispetto alla sua controparte di antimateria. Un’asimmetria minuscola, ma statisticamente solidissima. E con circa 80mila decadimenti analizzati, le probabilità che si tratti di una semplice coincidenza sono inferiori a una su cinque milioni.
Questa osservazione è molto importante per comprendere meglio le grandi questioni legate all’asimmetria materia-antimateria.
Xueting Yang, ricercatrice dell’Università di Pechino e prima firma dello studio
La scoperta rappresenta la prima osservazione di violazione CP in barioni (cioè le particelle come protoni e neutroni che compongono la materia ordinaria), un fatto che entusiasma la comunità scientifica. Ma gli scienziati restano cauti: è probabile che si tratti di un’estensione di un fenomeno già osservato negli anni Sessanta nei mesoni, particelle formate da due quark invece che tre, che portò alla scoperta di due nuovi quark, il top e il bottom.
Negli anni Novanta e Duemila, altre violazioni CP sono state documentate in mesoni contenenti quark bottom, ma in ogni caso l’effetto era troppo debole per spiegare la prevalenza della materia sull’antimateria nell’universo. Anche il nuovo risultato, per quanto promettente, sembra rientrare nei limiti previsti dal Modello Standard, la teoria che descrive tutte le particelle fondamentali e le loro interazioni, esclusa la gravità.
Secondo Zoltan Ligeti, fisico teorico all’Università di Berkeley, “non conosciamo ancora l’intero spettro delle possibilità per spiegare la violazione CP oltre il Modello Standard”. Per arrivarci, sarà necessario ripetere e ampliare esperimenti simili per molti anni ancora.
Anche se, una delle piste più affascinanti, dove potrebbe celarsi una nuova violazione della simmetria CP, riguarda il comportamento enigmatico di particelle quasi impalpabili: i neutrini. Queste presenze evanescenti, difficili da osservare e ancora poco comprese, potrebbero nascondere la chiave che manca. Una nuova generazione di esperimenti ambiziosi, tra cui un enorme laboratorio sotterraneo ricavato da una vecchia miniera d’oro nel South Dakota, è pronta a scendere ancora più in profondità, letteralmente e metaforicamente, per cercare risposte.
Nel frattempo, ogni piccola anomalia come quella osservata al CERN è un tassello in più. “Probabilmente non abbiamo scoperto nulla di nuovo” – ha ammesso Charles Young dello SLAC National Accelerator Laboratory – “ma è fondamentale esplorare ogni possibilità legata alla violazione CP. Magari, prima o poi, qualcosa di davvero straordinario salterà fuori.”
