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Come ha fatto la materia del nostro universo a nascere dal nulla?

Su tutte le scale dell’Universo, dal nostro quartiere locale al mezzo interstellare alle singole… galassie agli ammassi ai filamenti e alla grande rete cosmica, tutto ciò che osserviamo sembra essere fatto di materia normale e non di antimateria. Questo è un mistero inspiegabile.

NASA, ESA, e l’Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Quando si guarda la vastità dell’Universo, i pianeti, le stelle, le galassie e tutto ciò che c’è là fuori, una domanda ovvia grida per una spiegazione: perché c’è qualcosa invece di niente? Il problema diventa ancora più grave quando si considerano le leggi della fisica che governano il nostro Universo, che sembrano essere completamente simmetriche tra materia e antimateria. Eppure, osservando ciò che c’è là fuori, scopriamo che tutte le stelle e le galassie che vediamo sono fatte al 100% di materia, con pochissima antimateria. Chiaramente, noi esistiamo, così come le stelle e le galassie che vediamo, quindi qualcosa deve aver creato più materia che antimateria, rendendo possibile l’Universo che conosciamo. Ma come è successo? È uno dei più grandi misteri dell’Universo, ma che siamo più vicini che mai a risolvere.

Il contenuto di materia ed energia nell’Universo al momento attuale (a sinistra) e in epoche precedenti… (a destra). Si noti la presenza di energia oscura, materia oscura, e la prevalenza della materia normale sull’antimateria, che è così minuta da non contribuire in nessuno dei tempi mostrati.

NASA, modificato dall’utente Wikimedia Commons 老陳, ulteriormente modificato da E. Siegel

Considerate questi due fatti sull’Universo, e quanto siano contraddittori:

  1. Ogni interazione tra particelle che abbiamo mai osservato, a tutte le energie, non ha mai creato o distrutto una singola particella di materia senza creare o distruggere anche un numero uguale di particelle di antimateria.
  2. Quando guardiamo l’Universo, tutte le stelle, le galassie, le nubi di gas, gli ammassi, i superammassi e le strutture su larga scala ovunque, tutto sembra essere fatto di materia e non di antimateria.

Sembra un’impossibilità. Da un lato, non c’è alcun modo conosciuto, date le particelle e le loro interazioni nell’Universo, per fare più materia che antimateria. D’altra parte, tutto ciò che vediamo è sicuramente fatto di materia e non di antimateria. Ecco come lo sappiamo.

La produzione di coppie materia/antimateria (a sinistra) da pura energia è una reazione completamente reversibile… (a destra), con la materia/antimateria che si annichilisce di nuovo in pura energia. Questo processo di creazione e annichilimento, che obbedisce a E = mc^2, è l’unico modo conosciuto per creare e distruggere materia o antimateria.

Dmitri Pogosyan / Università di Alberta

Quando e ovunque antimateria e materia si incontrano nell’Universo, c’è una fantastica esplosione di energia dovuta all’annichilazione particella-antiparticella. In realtà osserviamo questa annichilazione in alcuni luoghi, ma solo intorno a fonti iper-energetiche che producono materia e antimateria in quantità uguali, come intorno ai buchi neri massicci. Quando l’antimateria incontra la materia nell’Universo, produce raggi gamma di frequenze molto specifiche, che possiamo poi rilevare. Il mezzo interstellare e intergalattico è pieno di materia, e la completa mancanza di questi raggi gamma è un forte segnale che non ci sono grandi quantità di particelle di antimateria che volano da nessuna parte, poiché quella firma di materia/antimateria si manifesterebbe.

Sia negli ammassi, nelle galassie, nel nostro quartiere stellare o nel nostro sistema solare, abbiamo enormi,… potenti limiti sulla frazione di antimateria nell’universo. Non ci possono essere dubbi: tutto nell’Universo è dominato dalla materia.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

Nel mezzo interstellare della nostra galassia, la vita media sarebbe dell’ordine di circa 300 anni, che è minuscola rispetto all’età della nostra galassia! Questo vincolo ci dice che, almeno all’interno della Via Lattea, la quantità di antimateria che può essere mescolata alla materia che osserviamo è al massimo 1 parte su 1.000.000.000.000.000.000! Su scale più grandi – di galassie e ammassi di galassie, per esempio – i vincoli sono meno stringenti ma ancora molto forti. Con osservazioni che vanno da pochi milioni di anni luce a più di tre miliardi di anni luce di distanza, abbiamo osservato una scarsità di raggi X e raggi gamma che ci aspetteremmo dall’annichilazione materia-antimateria. Ciò che abbiamo visto è che anche su grandi scale cosmologiche, il 99,999%+ di ciò che esiste nel nostro Universo è sicuramente materia (come noi) e non antimateria.

Questa è la nebulosa a riflessione IC 2631, come ripresa dal telescopio MPG/ESO 2,2 metri. Sia all’interno della nostra… galassia che tra le galassie, semplicemente non ci sono prove delle firme dei raggi gamma che dovrebbero esistere se ci fossero sacche significative, stelle o galassie fatte di antimateria.

ESO

Quindi in qualche modo, anche se non siamo del tutto sicuri come, abbiamo dovuto creare più materia che antimateria nel passato dell’Universo. Il che è reso ancora più confuso dal fatto che la simmetria tra materia e antimateria, in termini di fisica delle particelle, è ancora più esplicita di quanto si possa pensare. Per esempio:

  • ogni volta che creiamo un quark, creiamo anche un antiquark,
  • ogni volta che un quark viene distrutto, viene distrutto anche un antiquark,
  • ogni volta che creiamo o distruggiamo un leptone, creiamo o distruggiamo anche un antilettone della stessa famiglia di leptoni, e
  • ogni volta che un quark o un leptone subisce un’interazione, una collisione o un decadimento, il numero totale netto di quark e leptoni alla fine della reazione (quark meno antiquark, leptoni meno antileptoni) è lo stesso alla fine che all’inizio.

L’unico modo in cui abbiamo mai fatto più (o meno) materia nell’Universo è stato quello di fare anche più (o meno) antimateria in una quantità uguale.

Le particelle e le antiparticelle del Modello Standard obbediscono a tutti i tipi di leggi di conservazione, ma ci… sono leggere differenze tra il comportamento di certe coppie particella/antiparticella che possono essere indizi dell’origine della barionesi.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ma sappiamo che deve essere possibile; l’unica domanda è come sia successo. Alla fine degli anni ’60, il fisico Andrei Sakharov ha identificato tre condizioni necessarie per la barogenesi, o la creazione di più barioni (protoni e neutroni) che anti-barioni. Sono le seguenti:

  1. L’universo deve essere un sistema fuori equilibrio.
  2. Deve presentare una violazione C e CP.
  3. Ci devono essere interazioni che violano il numero di barioni.

La prima è facile, perché un universo in espansione e in raffreddamento con particelle instabili (e/o antiparticelle) è, per definizione, fuori equilibrio. Anche la seconda è facile, poiché la simmetria “C” (che sostituisce le particelle con antiparticelle) e la simmetria “CP” (che sostituisce le particelle con antiparticelle riflesse a specchio) sono entrambe violate nelle interazioni deboli.

Un mesone normale gira in senso antiorario intorno al suo polo nord e poi decade con un elettrone che viene… emesso lungo la direzione del polo nord. Applicando la simmetria C si sostituiscono le particelle con le antiparticelle, il che significa che dovremmo avere un antimesone che gira in senso antiorario intorno al suo polo nord che decade emettendo un positrone nella direzione nord. Allo stesso modo, la simmetria P capovolge ciò che vediamo in uno specchio. Se particelle e antiparticelle non si comportano esattamente allo stesso modo sotto le simmetrie C, P o CP, si dice che quella simmetria è violata. Finora, solo l’interazione debole viola una delle tre.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Questo lascia la questione di come violare il numero di barioni. Nel Modello Standard della fisica delle particelle, nonostante la conservazione osservata del numero di barioni, non c’è una legge di conservazione esplicita né per questo né per il numero di leptoni (dove un leptone è una particella come un elettrone o un neutrino). Invece, è solo la differenza tra barioni e leptoni, B – L, che si conserva. Quindi, nelle giuste circostanze, non solo si possono fare protoni extra, ma anche gli elettroni necessari per accompagnarli.

Quali siano queste circostanze è ancora un mistero, comunque. Nelle prime fasi dell’Universo, ci aspettiamo pienamente che esistano quantità uguali di materia e antimateria, con velocità ed energie molto elevate.

Alle alte temperature raggiunte nell’Universo molto giovane, non solo le particelle e i fotoni possono essere… alle alte temperature raggiunte nell’Universo molto giovane, non solo le particelle e i fotoni possono essere creati spontaneamente, data abbastanza energia, ma anche le antiparticelle e le particelle instabili, risultando in una zuppa primordiale di particelle e antiparticelle.

Brookhaven National Laboratory

Quando l’Universo si espande e si raffredda, le particelle instabili, una volta create in grande abbondanza, decadranno. Se si verificano le giuste condizioni, esse possono portare ad un eccesso di materia rispetto all’antimateria, anche dove inizialmente non ce n’era. Ci sono tre possibilità principali per come questo eccesso di materia sull’antimateria potrebbe essere emerso:

  • La nuova fisica su scala elettrodebole potrebbe aumentare notevolmente la quantità di violazioni C e CP nell’universo, portando ad un’asimmetria tra materia e antimateria. Le interazioni sfalderoniche, che violano B e L individualmente (ma conservano B – L) possono quindi generare le giuste quantità di barioni e leptoni. Questo potrebbe avvenire sia senza supersimmetria che con la supersimmetria, a seconda del meccanismo.
  • La nuova fisica dei neutrini alle alte energie, di cui abbiamo un enorme indizio, potrebbe creare un’asimmetria fondamentale dei leptoni in anticipo: la leptogenesi. Gli sfaleroni, che conservano B – L, userebbero poi quell’asimmetria di leptoni per generare un’asimmetria di barioni.
  • Oppure la barogenesi su scala GUT, dove si trova nuova fisica (e nuove particelle) alla scala della grande unificazione, dove la forza elettrodebole si unisce alla forza forte.

Questi scenari hanno tutti alcuni elementi in comune, quindi percorriamo l’ultimo, solo come esempio, per vedere cosa potrebbe essere successo.

Oltre alle altre particelle nell’Universo, se l’idea di una Grande Teoria Unificata si applica al… nostro Universo, ci saranno ulteriori bosoni superpesanti, particelle X e Y, insieme alle loro antiparticelle, mostrate con le loro cariche appropriate in mezzo al mare caldo di altre particelle nel primo Universo.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Se la grande unificazione è vera, allora ci dovrebbero essere nuove particelle superpesanti, chiamate X e Y, che hanno proprietà simili ai barioni e ai leptoni. Ci dovrebbero essere anche le loro controparti di antimateria: anti-X e anti-Y, con numeri B – L e cariche opposte, ma la stessa massa e durata. Queste coppie particella-antiparticella possono essere create in grande abbondanza ad energie abbastanza alte, e poi decadranno in tempi successivi.

Quindi il tuo Universo può essere riempito con loro, e poi decadranno. Se hai violazione di C e CP, tuttavia, allora è possibile che ci siano leggere differenze tra il modo in cui le particelle e le antiparticelle (X/Y vs. anti-X/anti-Y) decadono.

Se permettiamo alle particelle X e Y di decadere nelle combinazioni di quark e leptoni mostrate, le loro… controparti antiparticelle decadranno nelle rispettive combinazioni antiparticelle. Ma se CP è violato, i percorsi di decadimento – o la percentuale di particelle che decadono in un modo piuttosto che in un altro – possono essere diversi per le particelle X e Y rispetto alle particelle anti-X e anti-Y, risultando in una produzione netta di barioni su antibarioni e leptoni su antileptoni.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Se la tua particella X ha due percorsi: decadere in due quark up o un quark anti-down e un positrone, allora l’anti-X deve avere due percorsi corrispondenti: due quark anti-up o un quark down e un elettrone. Notate che la X ha B – L di due terzi in entrambi i casi, mentre l’anti-X ha due terzi negativi. È simile per le particelle Y/anti-Y. Ma c’è una differenza importante che è permessa con la violazione C e CP: la X potrebbe avere più probabilità di decadere in due quark up di quante ne abbia l’anti-X di decadere in due quark anti-up, mentre l’anti-X potrebbe avere più probabilità di decadere in un quark down e un elettrone di quante ne abbia la X di decadere in un quark anti-down e un positrone.

Se si hanno abbastanza coppie X/anti-X e Y/anti-Y, e queste decadono in questo modo consentito, si può facilmente creare un eccesso di barioni su antibarioni (e leptoni su anti-leptoni) dove prima non ce n’era.

Se le particelle decadessero secondo il meccanismo descritto sopra, rimarremmo con un… eccesso di quark su antiquark (e leptoni su antileptoni) dopo che tutte le particelle instabili e superpesanti sono decadute. Dopo che le coppie di particelle-antiparticelle in eccesso si sono annichilite (abbinate alle linee rosse tratteggiate), rimarrebbe un eccesso di quark up-and-down, che compongono protoni e neutroni in combinazioni di up-up-down e up-down, rispettivamente, ed elettroni, che corrisponderanno ai protoni in numero.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

In altre parole, si può iniziare con un Universo completamente simmetrico, che obbedisca a tutte le leggi fisiche conosciute e che crei spontaneamente materia e antimateria solo in coppie uguali e opposte, e finire con un eccesso di materia sull’antimateria alla fine. Abbiamo più percorsi possibili verso il successo, ma è molto probabile che la natura ne abbia avuto bisogno solo di uno per darci il nostro Universo.

Il fatto che noi esistiamo e siamo fatti di materia è indiscutibile; la domanda del perché il nostro Universo contiene qualcosa (materia) invece di niente (da un mix uguale di materia e antimateria) è una domanda che deve avere una risposta. In questo secolo, i progressi nei test elettrodeboli di precisione, nella tecnologia dei collisori e negli esperimenti che sondano la fisica delle particelle oltre il Modello Standard potrebbero rivelare esattamente come è successo. E quando ciò avverrà, uno dei più grandi misteri di tutta l’esistenza avrà finalmente una soluzione.

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