Materia e antimateria sono immagini speculari

Materia e antimateria sembrano essere immagini speculari perfette l’una dell’altra, a quanto si può vedere: gli scienziati l’hanno scoperto con una precisione senza precedenti, svelando il mistero del perché c’è molta più materia che antimateria nell’universo.

La materia è composta da protoni, neutroni o elettroni. Queste particelle hanno controparti note come antiparticelle – antiprotoni e positroni, antineutroni – che hanno la stessa massa ma carica elettrica opposta. (Anche se i neutroni e gli antineutroni sono entrambi neutrali, sono costituiti da particelle note chiamate quark che possiedono cariche elettriche frazionarie, e le cariche di questi quark sono uguali e opposte fra loro nei neutroni e negli antineutroni).

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L’universo conosciuto è composto di materia. Il mistero profondo è perché l’universo non è costituito da parti uguali di antimateria, dal momento che il Big  Bang, che si pensa abbia creato l’universo 13,7 miliardi di anni fa, ha prodotto la stessa quantità di entrambi. E se materia e antimateria sembrano essere immagini speculari l’una dell’altra a tutti gli effetti, salvo la loro carica elettrica, non ci dovrebbe essere molto di entrambi i tipi di materia – materia e antimateria infatti si annullano reciprocamente quando si incontrano tra di loro.

La parità di carica

I fisici teorici sospettano che lo straordinario contrasto tra le quantità di materia e antimateria nell’universo, tecnicamente note come asimmetria barionica, possono essere causa di alcune differenze tra le proprietà della materia e l’antimateria, formalmente conosciute come parità di carica, o violazione della simmetria CP . Tuttavia, tutti i noti effetti che portano a violazioni della simmetria CP non riescono a spiegare la grande preponderanza di materia sull’antimateria.

Le potenziali spiegazioni alla base di questo mistero potrebbero risiedere nelle differenze tra le proprietà della materia e quelle dell’antimateria – per esempio, forse il decadimento degli antiprotoni è più veloce di quello dei protoni. Se si riscontra tale differenza, per quanto lieve, “questo porterà naturalmente conseguenze drammatiche per la nostra comprensione contemporanea delle leggi fondamentali della fisica”, ha detto l’autore principale dello studio Stefan Ulmer, un fisico delle particelle presso l’Istituto giapponese di ricerca in Fisica e Chimica (RIKEN ).

Nei test più severi sulle differenze tra protoni e antiprotoni, gli scienziati hanno studiato il rapporto tra la carica elettrica di circa 6.500 coppie di queste particelle nel corso di un periodo di 35 giorni. Per permettere che antimateria e materia entrino in contatto, i ricercatori hanno intrappolato protoni e antiprotoni in campi magnetici. Poi hanno misurato come queste particelle si sono spostate in modo ciclico in quei campi, una caratteristica nota come frequenza di ciclotrone, che è proporzionale sia al rapporto carica-massa di queste particelle e alla forza del campo magnetico.

(Tecnicamente, i ricercatori non hanno utilizzato i protoni in questi semplici esperimenti, ma ioni di idrogeno negativi, che sono costituiti ciascuno da un protone, circondato da due elettroni. Ciò è stato fatto per semplificare gli esperimenti. Antiprotoni e ioni di idrogeno negativi hanno entrambi carica negativa, e così rispondono allo stesso modo ai campi magnetici. Gli scienziati possono facilmente rendere conto degli effetti che questi elettroni hanno avuto durante gli esperimenti.)

Immagini speculari perfette

Gli scienziati hanno scoperto che il rapporto carica-massa di protoni e antiprotoni “è identico nel giro di 69 parti per trilione”, Ulmer ha detto in un comunicato. Questa misura è quattro volte migliore delle misurazioni precedenti di questo rapporto.

Inoltre, i ricercatori hanno anche scoperto che i rapporti carica-massa che hanno misurato non variano di oltre 720 parti per trilione al giorno. Ciò suggerisce che protoni e antiprotoni si comportano allo stesso modo nel corso del tempo in cui viaggiano nello spazio alla stessa velocità, nel senso che non violano ciò che è noto come tempo della parita di carica o simmetria CPT.

La simmetria CPT è una componente chiave del Modello Standard della fisica delle particelle, la migliore descrizione di come le particelle elementari che compongono l’universo si comportano. Non esistono violazioni note della simmetria CPT. “Ogni violazione CPT rilevata avrà un enorme impatto sulla nostra comprensione della natura”, ha detto Ulmer.

Inoltre, questi rapporti di carica-massa non differivano in più di 870 parti per miliardo nel campo gravitazionale terrestre. Ciò significa che il principio dell’equivalenza, che sostiene che tutta la materia cade alla stessa velocità nello stesso campo gravitazionale, ha anche questo livello di accuratezza. Il principio di equivalenza è una chiave di volta della teoria di Einstein della relatività generale, che tra l’altro è la migliore spiegazione finora di come funziona la gravità. Non esistono violazioni note del principio di equivalenza, e le eventuali violazioni rilevate potrebbero portare ad una rivoluzione nella comprensione della scienza della gravità e dello spazio-tempo, e come entrambi si riferiscono alla materia e all’energia.

Utilizzando più stabili campi magnetici e altri approcci, gli scienziati prevedono di ottenere misure che sono almeno 10 volte più precise di ciò che hanno trovato finora.

Via | livescience

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