Antimateria, pt. II

Dal momento che mettere assieme materia ed antimateria comporta la produzione di fotoni ad alta energia (più alta è l'energia delle particelle coinvolte, più alta sarà l'energia dei fotoni prodotti), non è da sorprendere che questa asimmetria sia legata ad un'altra grande asimmetria: quella dei fotoni rispetto alla materia. La proporzione tra fotoni e materia è di circa 100000000:1, che vuol dire che per ogni barione (cioè particelle come protoni e neutroni) ci sono 100 milioni di fotoni. In qualche modo, dunque, queste due asimmetrie devono essere legate e la presenza, oggi, di un così alto numero di fotoni può essere ricondotta ad un epoca, nel passato remoto dell'Universo, in cui è avvenuto lo sbilancio tra materia ed antimateria.
Assumendo quindi che in passato entrambi i tipi di materia fossero presenti, la loro annichilazione ha generato il numero enorme di fotoni che oggi osserviamo. Se la teoria è giusta, quindi, un'altra prova dell'esistenza dell'antimateria può essere quella dei fotoni. Tuttavia resta ancora da stabilire perché e come è stato preferito un tipo di materia invece che un altro. Chiaramente, potrete obiettare, è indifferente chiamare la nostra materia ordinaria “materia” o “antimateria”. La convenzione è di chiamarla “materia”, ma non sappiamo quale delle due sia veramente la “materia” ed, anzi, non avrebbe nessun senso porsi questa domanda.
Ha però senso chiedersi da cosa si sia originato lo squilibrio. La causa è da ricercarsi nelle primissime fasi di vita dell'Universo, in quanto già dopo qualche minuto (diciamo i primi tre) è avvenuta la nucleosintesi primordiale, che ha formato i primi atomi. Quindi c'era già materia e niente antimateria. Il periodo di interesse è quello che va dal tempo di Planck ad un secondo dopo il Big Bang, un periodo di tempo estremamente breve ma durante il quale sono già avvenuti una miriade di fenomeni importanti quali le rotture di simmetria con la conseguente differenziazione delle interazioni fondamentali, l'inflazione cosmica, il confinamento dei quark negli adroni e un sacco di altre cose tra le quali la cosiddetta bariogenesi. Con questo termine si indica il processo che ha portato allo squilibrio osservato tra materia ed antimateria.
Solitamente, quando si parla del primo secondo di vita dell'Universo, si indentifica il periodo inflazionario come una sorta di “confine”: si distinguono cioè i fenomeni che sono avvenuti prima e quelli dopo l'inflazione. Ovviamente questo argomento richiederebbe non solo un post a se, ma anche qualche libro. Tuttavia per ora non mi preoccupo di dare una spiegazione dettagliata del fenomeno inflazionario, ma dico solo che si è trattato di un brevissimo lasso di tempo, più piccolo di un secondo, durante il quale l'Universo ha accelerato bruscamente la sua espansione e lo spazio è stato “stirato” talmente tanto che la sua forma di allora è la stessa che oggi osserviamo. Ebbene, ci si può chiedere se la bariogenesi sia avvenuta prima o dopo l'inflazione. Essa è avvenuta immediatamente dopo: se fosse avvenuta prima, infatti, a causa della rapida espansione, le asimmetrie create sarebbero state cancellate dall'inflazione.
Ma in cosa consiste questa bariogenesi? Essa è un fenomeno che per verificarsi ha bisogno di condizioni particolari, almeno tre. La prima deve essere ovviamente la violazione tra la quantità di materia e antimateria, cosa che si esprime con la cosiddetta violazione del numero barionico. Ma da sola questa condizione non basta. Devono essere contemporaneamente violate anche le simmetrie di parità e di coniugazione di carica, ovvero ci deve essere violazione di CP. Ma, ahimè, anche questa non basta. Perché l'asimmetria possa essere “stabile”, bisogna anche che avvenga uno squilibrio tra le popolazioni statistiche di particelle di materia e antiparticelle, cioè ad un non-equilibrio termico. (Qui la parola “termico” non è riferita direttamente alla temperatura conosciuta come tot gradi centigradi. Quando si parla di particelle microscopiche prese in un grande numero la temperatura diventa una proprietà statistica della popolazione.)
Dopo il primo secondo di vita, queste tre condizioni erano soddisfatte, a causa della densità, temperatura e pressione del plasma primordiale. In pratica, se proprio volete che arrivi alla conclusione, in seguito all'inflazione c'è stata la generazione di barioni, generazione non completamente bilanciata a causa delle tre suddette condizioni. Quello che è successo è che per ogni antibarione ci furono 1 più un centomilionesimo di barioni. Cioè, su 100 milioni di barioni e antibarioni c'era un barione in più. Così, quei 100 milioni di particelle e antiparticelle annichilirono dando origine ai 100 milioni di fotoni osservati, e il restante barione continuò la sua evoluzione legandosi ad altri barioni e formò atomi, molecole, gas, stelle, galassie e la vita.
Non è magnifico tutto questo?

Antimateria, pt. I

Per gli amici astro/fisici questi due post saranno inutili e può darsi che preferiscano impiegare meglio il loro tempo – farei così anche io. Quindi questi post sono per tutti gli altri.
Varie persone, negli anni, mi hanno chiesto cosa sia l'antimateria. Non lo so il motivo per cui alla gente interessi questa cosa; forse non interessa per niente; magari la parola “antimateria” è figa e si sente da un sacco di parti (dai libri ai film di fantascienza). O forse è per qualche altro motivo. Non so, però comunque stiano le cose, è sempre un piacere per me dialogare/spiegare certi argomenti.
Ho notato che nei saggi scientifici, sui siti internet non troppo osé e nei servizi di documentari televisivi, l'antimateria è quasi sempre definita come “il contrario” della materia. Tipo che l'antiparticella dell'elettrone ha la sua stessa massa ma carica positiva, eccetera. E così per le altre particelle, fino ad arrivare alla classica frase “se una particella si scontra con la sua antiparticella nello scontro si genera energia luminosa (luce, nda) e bla bla bla”. Ma in pochissimi casi ho sentito dire che cosa sia veramente l'antimateria. Da dove viene? Chi l'ha 'scoperta'? Perché dovrebbe esistere quando c'è già la materia?
La risposta a queste domande si deve ricercare nella storia della fisica, in particolare negli anni '30, quando si cercava di trattare relativisticamente la meccanica quantistica. Fino a quel momento, infatti, la descrizione del mondo microscopico era affidata alla funzione d'onda di Schrödinger ed alla sua famosa equazione. Essa descriveva particelle microscopiche, come gli elettroni, ma non rispettava le simmetrie imposte dalla relatività di Einstein.
In molti tentarono di far tornare i conti. I primi che ci provarono furono Oscar Klein e Walter Gordon, prendendo direttamente la relazione relativistica tra energia e quantità di moto e quantizzandola con le ben conosciute regole di quantizzazione. Si tratta di semplici passaggi algebrici: per il lettore che mastica un minimo di matematica ecco la pagina di Wikipedia dove c'è il calcolìno. Un occhio un po' più attento può vedere che l'equazione che trovarono Klein e Gordon, in sostituzione di quella di Schrödinger, non descrive più gli elettroni. Più in generale, essa non descrive più particelle cariche e dotate di spin. L'equazione di Klein-Gordon può essere usata solamente per particelle neutre e con spin nullo.
Chiaramente questa situazione era alquanto imbarazzante: mettere insieme la relatività e la meccanica quantistica sembrava comportare la rinuncia alla descrizione delle particelle reali. Ma, come in altri casi nella storia della fisica, la soluzione fu trovata da un uomo solo, che per questo e mille altri motivi ricevette, tra gli altri, il premio Nobel (sì, una volta lo davano per queste cose). Il suo nome è Paul Dirac e l'equazione che cavò fuori – che guarda caso porta il suo nome – descrive particelle cariche dotate di spin ed è pure valida in ambito relativistico. Niente di meglio, uno dice. Sì, vero. Però c'è un prezzo da pagare: l'equazione di Dirac ammette due tipi di soluzioni, due simmetrie per così dire. Le prime soluzioni sono quelle conosciute, cioè di energia positiva, come deve essere dal momento che esse rappresentano particelle reali che hanno energie positive. Le seconde, però, sono soluzioni ad energia negativa. Dirac si pose il problema di spiegare queste soluzioni ad energia negativa: esse non potevano venire tolte semplicemente con un colpo di spugna dalla teoria, perché senza di esse la teoria stessa sarebbe crollata. Esse dovevano esistere e dovevano avere un significato fisico.
Dirac risolse il problema di queste soluzioni ad energia negativa supponendo che esse descrivessero particelle simili a quelle conosciute ma con caratteristiche opposte. Egli aveva predetto l'esistenza dell'antimateria. Sperimentalmente, tale tipologia di materia fu scoperta solo qualche anno più tardi.
Adesso, con tutto quello che abbiamo detto, viene abbastanza naturale proseguire il discorso che facevo prima sulle proprietà delle antiparticelle. Tuttavia volevo focalizzare la vostra attenzione su un fatto a mio avviso interessante: perché nell'Universo esiste solo un tipo di materia? Quale è stato il criterio che ha stabilito che solo la materia doveva esistere e ha soppresso l'altra componente? L'asimmetria materia-antimateria è una delle cose più difficili da spiegare e tuttora non è ben chiaro a cosa sia dovuta. Essa tuttavia rappresenta un esempio mirabile di connessione tra la fisica delle particelle elementari e la cosmologia, e ve lo racconto la prossima volta.