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?
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?
