dove e` finito l`antiuniverso?

DOVE E’ FINITO L’ANTIUNIVERSO?
ABSTRACT
Dove è finito l’Antiuniverso? Una domanda, una conferenza che ci porterà alla scoperta dell’antimondo.
Vedremo inoltre gli sforzi impiegati dalla comunità scientifica al fine di ricercare qualche traccia
dell’Antiuniverso o di piccole asimmetrie che in passato avrebbero potuto far prendere al Cosmo una via
ben precisa: quella della materia.
AUTORE
Davide Trezzi. Dottorando di ricerca presso il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Milano.
Presidente del Gruppo Amici del Cielo.
MATERIA / ANTIMATERIA: UNA BREVE INTRODUZIONE
Cos’è la materia e da cosa è composta
Una delle prime domande che vengono poste ad un bambino è “quanti anni hai?”. Banalmente, fin da
piccoli, ci insegnano a rispondere la differenza tra l’anno in corso e quello di nascita. Ad essere precisi non è
esattamente così. Le particelle che compongono il nostro corpo, così come tutto ciò che ci circonda hanno
più o meno 13.7 miliardi di anni. Quindi in realtà noi tutti siamo apparentemente coetanei e l’età che
abitualmente associamo a noi stessi è la durata della nostra “struttura”, chiamata vita, regolata da quelli
che i fisici chiamano interazioni fondamentali. In maniera del tutto analoga parliamo di età delle rocce,
della Terra, del Sistema Solare e dell’intero Universo.
Lo studio delle strutture dell’Universo può quindi essere ricondotto allo studio dei suoi costituenti: le
particelle. Questa semplice idea venne concepita già nel IV secolo a.C. dagli antichi filosofi greci quali
Leucippo, Epicuro e Democrito e romani quali Tito Lucrezio Caro. Oggi, dopo più di 2000 anni, non abbiamo
ancora una teoria completa in grado di esprimere in semplici formule matematiche l’origine di queste
particelle e le loro reciproche interazioni. Gli antichi greci le chiamavano atomi, ovvero, indivisibili. Oggi
sappiamo che la struttura atomica non è un’unità fondamentale: l’atomo è costituito da elettroni e dal
nucleo atomico, a sua volta organizzato in neutroni e protoni, questi ultimi costituiti da quarks. Nel
Novecento inoltre abbiamo scoperto una pletora di nuove particelle “esotiche” che oggi non esistono stabili
in Natura ma che in passato dovevano essere i normali coinquilini dell’Universo primordiale.
Dirac e la nascita “teorica dell’Antimateria”
La teoria che oggi descrive con una precisione quasi “assoluta” l’atomo e quindi l’interazione tra gli
elettroni ed il nucleo atomico è l’elettrodinamica quantistica, formulata a partire dal 1928 da Paul Adrien
Maurice Dirac. In breve questa teoria, che valse al giovane fisico inglese il premio Nobel per la fisica insieme
a Schrodinger nel 1933, si presenta come l’unione delle allora neonate teoria dei quanti e della teoria della
relatività speciale. La nuova teoria, oltre a descrivere fenomeni noti, richiedeva l’esistenza in Natura di una
particella con la stessa massa dell’elettrone ma con carica opposta. Questa particella, ipotizzata dallo stesso
Dirac nel 1930, non era però ancora stata osservata sperimentalmente, tanto che nel 1932 un altro fisico
teorico, Niels Bohr, in un congresso a Copenaghen perse la pazienza e gridò contro Dirac: “Ma tu credi
veramente a quella roba?”. Il fisico inglese rispose: “Io non ho ancora visto nessuno in grado di negarla”.
I raggi cosmici: scoperta del positrone, produzione di coppie ed annichilazione
Venti anni prima, il fisico Victor Hess, portando con un pallone aerostatico strumenti scientifici a 5000 metri
di altezza, aveva notato che la ionizzazione prodotta dalla radiazione cresceva all’aumentare dell’altitudine.
Questo effetto poteva essere spiegato solamente ipotizzando un flusso di particelle di origine cosmica, oggi
nota come “raggi cosmici”, provenienti dallo spazio. Lo studio di questa radiazione ionizzante inaugurò l’era
della Fisica delle Particelle.
Nel 1933, analizzando le immagini delle scie lasciate in un gas da queste particelle (in appositi rivelatori
chiamati “camere a nebbia”), il fisico Carl Anderson scoprì finalmente la particella di Dirac, che chiamò
positrone. Ma le scoperte non finirono qui, tanto che negli anni seguenti vennero osservati due fenomeni,
anch’essi previsti dalla teoria dell’elettrodinamica quantistica: l’annichilazione e la produzione di coppie. Nel
primo caso un positrone colpiva un elettrone convertendosi in luce (raggi gamma), mentre nel secondo
caso, partendo da un raggio gamma, si originava “dal nulla” una coppia elettrone – positrone. Questi
fenomeni rappresentavano la prima prova evidente della relazione di Einstein ‫ ܿ݉ = ܧ‬ଶ , ovvero della
possibilità di convertire massa in energia e viceversa. Il fenomeno dell’annichilazione suggerì il nome
antielettrone all’elettrone positivo o positrone.
Gli acceleratori di particelle e lo studio della materia
La scoperta dell’antielettrone apriva però una serie di domande sulla natura della materia: come l’elettrone
ha la sua antiparticella, anche il protone ed il neutrone hanno le relative antiparticelle?
Nel 1955, all’Università della California, Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprono della California
l’antiprotone. L’anno successivo Bruce Cork, al Bevatron Collider (Berkley, USA), scopre l’antineutrone. Nel
1965 al CERN il gruppo di ricercatori guidato da Antonino Zichichi produsse il primo antinucleo. Trent’anni
dopo, nel 1995 l’esperimento PS210 al CERN permise di produrre il primo atomo di antidrogeno. A partire
dalla fine del secolo scorso, la comunità scientifica non solo riuscì a dimostrare l’esistenza dell’antimateria,
ma la produsse anche in laboratorio. Oggi possiamo quindi affermare con certezza che l’antimateria può
esistere in forma stabile. Ma allora, come mai siamo circondati da sola materia? Dove è finito
l’Antiuniverso?
DOVE E’ FINITO L’ANTIUNIVERSO?
L’ipotesi di Dirac
L'antimateria diviene una delle maggiori questioni aperte: perché non c’è più traccia dell’Antiuniverso?
I modelli cosmologici più accreditati ipotizzano che l’energia presente all’origine dell’Universo, un istante
dopo il Big Bang, generò materia ed antimateria in modo perfettamente bilanciato. Questa conversione di
energia, in particelle ed antiparticelle, non è un processo a senso unico: se infatti materia ed antimateria
vengono in contatto avviene l’annichilazione e la massa si riconverte in energia, liberata come raggi
gamma. Durante le prime fasi dell’Universo questi due processi probabilmente erano molto comuni ed in
perfetta competizione: se in un primo momento materia ed antimateria emersero in proporzioni uguali, un
istante dopo si annichilirono a vicenda. Quindi la vera domanda non è “Dove è finito l’Antiuniverso?” ma
“Perché esiste l’Universo?”. L’unica spiegazione attendibile sta in qualche differenza tra materia ed
antimateria, che però ancor oggi non è stata evidenziata, anzi, materia ed antimateria sembrano
comportarsi in modo uguale, come previsto dalla teoria di Dirac.
E se vivessimo in una regione dell’Universo povera di antimateria? La materia è distribuita in modo non
omogeneo nell’Universo: l’idrogeno, ad esempio, è un elemento raro sulla Terra, anche se il più
abbondante nell’Universo.
Antistelle e Antigalassie, dove sono finite?
La teoria di Dirac ci dice inoltre che stelle formate da antimateria, le antistelle, emetterebbero luce in
maniera indistinguibile rispetto a stelle di materia: delle stelle non vediamo altro che piccoli puntini
nell’immensità del cielo, ma chi ci dice che non siano composte da antimateria? Quest’ipotesi venne
congetturata da Dirac nella Nobel Lecture del 1933.
Dato che nel 1969 i primi astronauti che hanno messo piede sulla Luna non sono annichiliti, possiamo
supporre con ragionevole certezza che almeno il nostro satellite naturale non è costituito da antimateria.
Anche il Sole inoltre non è un’antistella: le particelle che emette come vento solare raggiungono la nostra
atmosfera senza dare luogo ad annichilazione e conseguente produzione di raggi gamma. Lo stesso discorso
potrebbe essere così esteso a tutto il Sistema Solare e alle comete.
Possiamo quindi affermare che siamo, sotto tutti gli effetti, in una regione dominata dalla materia. Ma è
possibile estendere questa scoperta a tutta la nostra galassia?
Durante le esplosioni di supernova, che rappresentano le fasi finali della vita di alcuni tipi di stelle, viene
espulsa violentemente nello spazio gran parte della materia che costituiva originariamente la stella. Se ci
trovassimo di fronte ad una supernova di antistella dovremmo aspettarci un flusso di antimateria che dopo
un viaggio, a volte anche molto lungo, potrebbe raggiungere il nostro Sistema Solare e quindi il nostro
pianeta.
Lo spettrometro AMS della NASA è stato inviato nello spazio nel 1998 (il suo successore, AMS2, sarà
lanciato nel 29 Luglio 2010) per cercare tracce di atomi di antielio giunti fino a noi a seguito di esplosioni di
supernove di antistelle: al momento però non è stato rilevato alcun tipo di segnale. Dato inoltre che lo
spazio interstellare non è totalmente vuoto, potremmo rilevare i raggi gamma originati dall’annichilazione
dell’antimateria, prodotta durante l’esplosione di supernova di antistelle, con la materia residua nello
spazio interstellare. Anche in questo caso però non si è ancora osservato nulla di simile. Possiamo quindi
affermare con “discreta” certezza che almeno nella nostra galassia non ci sono antistelle o sistemi
antiplanetari. Ma questo vale per tutte le galassie che osserviamo?
Probabilmente si, dato che se esistessero galassie di antimateria avrebbero una probabilità
sufficientemente elevata di collidere con una galassia di materia, dando luogo ad annichilazione osservabile
da Terra come intense sorgenti di raggi gamma.
Quindi, a meno di non ipotizzare una quanto mai irreale separazione tra regioni di materia e regioni di
antimateria, possiamo concludere che non c’è traccia dell’Antiuniverso.
POSSIBILI ORIGINI DELL’ASIMMETRIA MATERIA/ANTIMATERIA?
Condizioni di Sakharov
Se i dati sperimentali mostrano che nell’universo non c’è traccia di antimateria, quali sono le motivazioni di
queste evidenze? Molto probabilmente la teoria di Dirac, malgrado sia molto precisa, non è del tutto
corretta. Nel 1967 il fisico russo Andrej Sakharov riassunse in tre punti gli ingredienti necessari per avere
l’asimmetria oggi osservata:
• Violazione del numero barionico. Questo numero quantico additivo è associato ad una categoria di
particelle note come barioni. Tra questi si annovera il protone ed il neutrone. Particelle ed
antiparticelle hanno numero barionico opposto. All’inizio dell’Universo, dato che non c’era materia,
il numero barionico complessivo doveva essere pari a zero. Se il numero barionico si conserva allora
l’unico modo per creare materia è quello di creare anche uno stesso quantitativo di antimateria.
Per questo motivo, al fine di giustificare un’asimmetria materia – antimateria dobbiamo assumere
la violazione del numero barionico. Se però il numero barionico non è conservato, ci sarebbe una
probabilità non nulla che il protone possa decadere in positrone. Questo fenomeno non è però
ancora stato osservato sperimentalmente. Dal punto di vista teorico invece altre teorie, come la
Teoria di Grande Unificazione o estensioni del Modello Standard delle particelle, prevedono
violazioni del numero barionico. La conservazione di tale numero quantico inoltre potrebbe essere
violata dall’interazione gravitazionale (buchi neri primordiali).
• Violazione della simmetria C e CP. Queste simmetrie riguardano la struttura geometrica della teoria
che descrive la fisica delle particelle. Sperimentalmente si traducono nel fatto che il rate di
decadimento di una particella deve essere pari a quello della relativa antiparticella. La violazione di
C e CP, prevista dal Modello Standard delle particelle, è stata osservata nei laboratori di
Brookhaven nel 1964 e confermata successivamente dal CERN, dal Fermilab nel 2001 e dal SLAC nel
2002.
• Scostamento dall’equilibrio termico. Questa richiesta è importante per avere violazione del numero
barionico e simmetria CP all’inizio dell’Universo. Se infatti l’universo primordiale fosse stato in
equilibrio termico, ci sarebbe stato un ugual numero di particelle e di antiparticelle.
Riassumendo, delle condizioni di Sakharov, solo una oggi è parzialmente soddisfatta dal punto di vista
sperimentale. Questo dovrebbe portarci a pensare che molto probabilmente il modello che descrive le
interazioni tra le particelle, e quindi la natura e le strutture dell’Universo, pur essendo una buona
approssimazione della realtà, non è ancora definitivo.
IL FUTURO DELLA FISICA DELL’ANTIMATERIA
Oltre il Modello Standard delle particelle
Cosa ci riserva allora il futuro? Fisici delle particelle ed astrofisici stanno compiendo numerosi sforzi per
comprendere la reale differenza tra materia ed antimateria che, all’origine, diede luogo all’asimmetria oggi
visibile. Nei prossimi anni, il Large Hadron Collider (CERN) ricostruirà in laboratorio condizioni simili a quelle
presenti all’origine del Cosmo: guardando indietro “nel passato” sarà così possibile “osservare” cosa è
successo all’antimateria presente a quel tempo. Contemporaneamente a questi esperimenti, altre missioni
spaziali, come PAMELA, stanno rilevando fenomeni che avvengono nel cuore della nostra Galassia , in parte
inspiegabili con le teorie attuali.
Alcuni esperimenti al CERN, condotti utilizzando atomi di antidrogeno (AEGIS, ATRAP e ALPHA), stanno
cercando di investigare le possibili differenze tra materia ed antimateria a livello fondamentale e rispetto
all’interazione con il campo gravitazionale terrestre. Indagando l’estremamente grande e l’estremamente
piccolo forse un giorno riusciremo a trovare il motivo per cui il Cosmo ha deciso di prendere la ben precisa
direzione che ci ha portato in un Universo e non in un Antiuniverso.