La settimana scorsa abbiamo assistito in diretta al lancio dello Shuttle che ha portato il rivelatore di particelle AMS-02 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, ISS. Il processo di ancoraggio è avvenuto poche decine di ore dopo, ed è durato un paio d’ore. È però possibile vederlo in questa registrazione, accelerata per durare solo qualche minuto:
Ma cosa farà l’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02?
Secondo la visione standard del Big Bang, quando l’Universo è nato era composto in egual quantità di materia e antimateria. Fondamentalmente, non esiste nessuna ragione per cui la Natura, e quindi il Big Bang, abbia dovuto avere una preferenza verso la materia o verso l’antimateria. Nessun ragione tranne una: la nostra esistenza.
Sappiamo che nell’Universo esiste una particolare simmetria: per ogni particella esiste una cosidetta anti-particella, caratterizzata dalla stessa medesima massa della particella, ma carica elettrica opposta.
Quando particella e antiparticlla si incontrano, trasformano la propria massa in energia, e scompaiono in un raggio di luce (raggio gamma), annichilendo. Se nell’Universo ci fosse la stessa quantità di materia e antimateria, esse annichilirebbero completamente, trasformando tutta la massa dell’Universo in energia. Siccome questo non è successo, ci deve essere una spiegazione.
Vi è anche un’altra proprietà, oltre alla carica, ad essere inversa tra particelle e anti-particelle, la cosidetta “parità”.
Il Modello Standard, ovvero il framework matematico che ci permette di descrivere le particelle che osserviamo, prevede un insieme di trasformazioni a cui corrispondono delle proprietà fisiche che vengono conservate. Nel caso della parità, la trasformazione corrispondente è l’inversione spaziale nelle tre dimensioni. Una particella caratterizzata da coordinate (x,y,z), quando sottoposta a una trasformazione di parità, assumerà coordinate (-x,-y,-z). Questo vuol dire che un’antiparticella corrisponde a una particella a cui vengono invertite le coordinate spaziali.
Il Modello Standard si basa sul fatto che alcune proprietà fisiche vengono conservate, ovvero rimangono invariate, anche dopo aver subito una trasformazione. In particolare, la trasformazione CP, ovvero carica e parità, deve conservare le leggi fisiche del sistema. Questo significa che materia e antimateria sono simmetriche, cioè si comportano nello stesso modo nei confronti delle leggi della fisica.
In realtà, nel 1964, i fisici Cronin e Fitch hanno osservato una particolare particella, chiamata K (letto kaone) che ha la proprietà di trasformarsi nella propria antiparticella (anti-K). Il problema è che questa trasformazione non ha la stessa probabilità di avvenire nelle due direzioni, ovvero è più probabile che un anti-K diventi un K, che viceversa. Questo fa si che se si parte con lo stesso numero di K che di anti-K, dopo un certo tempo ci si troverà ad avere più materia che antimateria.
Questo fenomeno è noto come violazione CP (CP-violation) ed è un campo della fisica che ci fa intravedere un mondo oltre al Modello Standard, e che è al momento un campo della ricerca molto attuale.
Si direbbe, quindi, che il problema è risolto, voilà, ecco perché c’è solo materia. Purtroppo non è così facile, perché questa asimmetria è veramente piccolissima, e la preferenza verso la materia causata dalla violazione CP non è assolutamente sufficiente per spiegare l’abbondanza della materia nell’Universo.
Alcune teorie suggeriscono che l’antimateria sia leggermente più instabile della materia, ovvero abbia la tendenza a decadere più velocemente. Se questo fosse vero, spiegherebbe perché, ad un certo punto, la materia ha preso il sopravvento sull’antimateria, permettendo al nostro mondo di esistere. Non vi è però prova, al momento che questo sia vero.
Si può altrimenti spiegare la nostra esistenza, e allo stesso tempo la conservazione globale della simmetria tra materia e antimateria, ipotizzando che particelle e antiparticelle siano state separate appena prodotte, e l’Universo sia diviso in due (o più) isole, alcune composte esclusivamente da materia e alcune di sola antimateria.
Il problema con questa ipotesi è che ci dovrebbe essere comunque una zona di confine, in cui materia e antimateria entrano in contatto, producendo quindi un fondo di raggi gamma che dovremmo essere in grado di osservare. Numerosi esperimenti di raggi gamma hanno cercato tale emissione, ma senza successo. Si può quindi affermare che nel nostro Supercluster galattico (detto di Andromeda), ovvero l” insieme della nostra Galassia e quelle “vicine” (entro un raggio di circa 10 Mpc – mega parsec), non c’è nessuna bolla di antimateria, altrimenti ne avremmo osservato l’emissione gamma. È però possibile che queste “isole”o “bolle” che dir si voglia, siano ancora più distanti. Potrebbero essere così lontane da essere separate da zone interamente vuote, letteralmente dei cuscinetti di vuoto cosmico. Se questo fosse il caso, potremmo avere la conservazione globale della simmetria tra materia e antimateria (e mantenere le simmetrie è una cosa che rende i fisici molto felici) e allo stesso tempo giustificare la mancanza di osservazione di un fondo gamma nei nostri dintorni.
Come potremmo verificare tale ipotesi?
Qui entra in gioco AMS-02. Questo esperimento, di cui ho già avuto modo di parlare, è un rivelatore di particelle in grado di distinguere con grande precisione tutti i tipi di nuclei, partendo dall’idrogeno, fino al ferro. È inoltre in grado di capire se questi nuclei sono di materia o antimateria (approfittando dell’inversione della carica elettrica), riuscendo ad identificare un nucleo di anti-elio su 109 nuclei di elio.
L’unico modo per la Natura di creare nuclei è attraverso la fusione nucleare che avviene nelle stelle. A seconda della massa e dell’età della stella si formano nuclei via via più pesanti, elio, azoto, carbonio, e via via fino al ferro.
L’osservazione di un nucleo di anti-carbonio, quindi, o di antiferro, rappresenterebbe una prova inconfutabile che, da qualche parte dell’universo è presente una anti-stella e, perché no, una anti-galassia.
Poiché l’antimateria è stata, per il momento, osservata solo in quantità microscopiche e per brevissimo tempo, sono molte le domande a cui ancora non conosciamo risposta. Per esempio, si potrebbe ipotizzare che l’antimateria si comporti in maniera opposta alla materia nei confronti dellla gravità, vedendola come forza repulsiva.
I primi dati di AMS-02 stanno già arrivando, e sono già pronti per essere analizzati nei server del Cern. Entro la fine dell’anno, sono sicura che i primi risultati verranno pubblicati, speriamo portandoci buone notizie per la nostra conoscenza.
