Il più grande acceleratore di particelle osserva uno squilibrio fugace tra materia e antimateria.

Il più grande acceleratore di particelle sulla Terra, il Large Hadron Collider ( LHC ) in Svizzera, ha osservato per la prima volta un'asimmetria tra materia e antimateria fondamentale per l'esistenza dell'universo e che potrebbe svelare fenomeni che vanno oltre la fisica conosciuta.

L'esperimento LHCb ha osservato questo squilibrio nei barioni, particelle composte da tre quark, come neutroni e protoni, che formano i nuclei degli atomi. Esseri viventi, pianeti, stelle e galassie sono fatti di questo tipo di materia, che rappresenta il 5% dell'universo. Questa scoperta è cruciale per testare la correttezza delle attuali teorie fisiche e potrebbe aprire la strada alla comprensione del restante 95% del cosmo.

L'esperimento LHCb studia il decadimento delle particelle elementari prodotte dalla collisione di protoni che viaggiano a velocità prossime a quella della luce all'interno dell'LHC. Nonostante l'ineguagliabile potenza di questo acceleratore, ci sono voluti molti dati raccolti dal 2011 – circa 80.000 decadimenti barionici – per osservare per la prima volta un leggero squilibrio a favore della materia. L'asimmetria osservata è in media del 2,45%, ma occasionalmente supera il 5%. I risultati di questo esperimento, a cui partecipano 1.600 scienziati provenienti da 22 paesi, sono pubblicati oggi su Nature , punto di riferimento per la migliore scienza al mondo.

La fisica galiziana María Vieites , 34 anni, è vice coordinatrice di fisica presso l'LHCb. "Il nostro universo è fatto di materia e il Modello Standard non ne spiega appieno il motivo", spiega, riferendosi all'attuale teoria che descrive la fisica delle particelle. Il problema è che questo quadro non descrive la materia oscura , che costituisce circa il 27% dell'universo, né l'energia oscura, che ne rappresenta il 68% .

"Abbiamo bisogno di nuove fonti di squilibrio tra materia e antimateria, e con questo studio osserviamo queste differenze in un nuovo ambito, proprio nel tipo di materia convenzionale, più simile a quella che compone i nuclei atomici", sottolinea la ricercatrice dell'Istituto Galiziano di Fisica delle Alte Energie . "Questi risultati hanno richiesto molto lavoro, perché stiamo parlando di processi molto, molto rari", aggiunge. I collaboratori dell'LHCb hanno analizzato trilioni di collisioni tra protoni e isolato i decadimenti dei barioni lambda b, che sono le particelle promettenti per queste misurazioni, spiega Vieites. "Per ora, i dati sono probabilmente compatibili con il Modello Standard", riconosce la scienziata, "ma alla fine sappiamo che è incompleto e prima o poi dovrà fallire".

I fisici delle particelle amano credere che la natura rispetti la simmetria, ma se così fosse, l'universo non esisterebbe. La teoria del Big Bang sostiene che l'universo sia emerso 13,7 miliardi di anni fa con una quantità identica di materia e antimateria. Queste particelle sono simmetriche, come un oggetto reale e la sua immagine speculare, ma di carica opposta, quindi avrebbero dovuto disintegrarsi a vicenda in un'enorme esplosione di luce. Tuttavia, il cosmo oggi è composto quasi interamente da materia barionica, la sostanza di cui sono composti gli atomi, e quasi nessuna antimateria.

La prima prova diretta di asimmetria fu osservata nel 1964, al culmine della Guerra Fredda, presso quello che all'epoca era il più grande acceleratore di particelle al mondo, il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti. L'impianto era stato costruito per studiare la fisica delle particelle in seguito all'enorme investimento nel Progetto Manhattan , che culminò con il bombardamento nucleare di Hiroshima e Nagasaki. In quell'occasione, la discrepanza fu rilevata in un tipo di particella nota come mesone, composta da un quark e un antiquark.

Tre anni dopo, il fisico russo Andrej Sacharov , che sviluppò per l'Unione Sovietica le bombe atomiche più potenti mai fatte esplodere sulla Terra – e in seguito vinse il Premio Nobel per la Pace per aver messo in guardia dal terribile potenziale di tali armi – sviluppò una teoria chiave. Sostenne che fosse l'asimmetria dei barioni a essere responsabile della generazione di un universo pieno di materia. La sua proposta implicava che, frazioni di secondo dopo il Big Bang, si fosse verificato un fenomeno noto come violazione della simmetria di carica-parità tra materia e antimateria. Per ogni miliardo di particelle di antimateria, ci sarebbero stati un miliardo e una particella di materia. Da questo piccolo squilibrio, sarebbe emerso l'intero universo osservabile, con la materia che dominava il suo opposto. Da quando Sacharov fece questa previsione quasi 60 anni fa, essa non è mai stata confermata.

"È la prima volta che questo fenomeno viene osservato in queste particelle, ed è quindi importante", spiega il fisico teorico Juan Antonio Aguilar . "Teoricamente, è possibile che ciò che abbiamo osservato sia nuova fisica [fenomeni oltre il Modello Standard], ma per ora non può essere dimostrato perché i calcoli sono troppo complessi", aggiunge il ricercatore dell'Istituto di Fisica Teorica (UAM-CSIC) di Madrid.

La discrepanza tra materia e antimateria prevista dal Modello Standard è molto più piccola di quella osservata nell'universo. Ciò implica che ci debbano essere più fonti di asimmetria. Un possibile meccanismo è l'esistenza di particelle sconosciute che aumentano la predominanza della materia sull'antimateria. Tra queste particelle potrebbe esserci la materia oscura. Il moto di stelle e galassie nell'universo ha dimostrato inequivocabilmente l'esistenza di questa sostanza attraverso la sua attrazione gravitazionale. Tuttavia, le particelle che la compongono non sono mai state prodotte, probabilmente a causa della sua debole interazione con la materia convenzionale. La caccia alla materia oscura è l'obiettivo principale dell'LHC , che a breve inizierà una fase di riprogettazione per aumentare il numero di collisioni protoniche, il che potrebbe finalmente portare alla scoperta di particelle sconosciute.