E’ noto che nel brodo primordiale particelle ed antiparticelle esistessero in uno stesso numero, senza che ce ne fosse un tipo privilegiato. Ma quando la temperatura a cominciato a scendere cos’è stato a privilegiare la materia sull’antimateria?

Questa domanda coinvolge direttamente uno dei campi di ricerca più attivi, attuali ed interessanti della fisica moderna. Premettendo che non esiste a tuttoggi una risposta completa ed esaustiva al quesito, cercherò di fare una breve ed incompleta panoramica: un’analisi accurata richiederebbe conoscenze di fisica delle alte energie e cosmologia che esulano dagli obbiettivi del sito nonché dalla preparazione di chi scrive.

1) Asimmetria Barionica

Asimmetria di materia su antimateria significa preponderanza di barioni

su antibarioni. Quella dei barioni è la famiglia delle particelle di cui fanno parte protoni e neutroni.

Occorre sottolineare che non è dato per scontato che ci sia più materia che antimateria nell’ universo. Nelle vicinanze della Terra non ci sono dubbi: la materia domina. La Luna ed il sistema solare sono fatti di (quella che noi chiamiamo) materia, infatti uomini e sonde mandate in esplorazione di questi astri non sono spariti per annichilazione. La Via Lattea (!) è quasi certamente fatta di materia, come inficiamo dalla composizione dei raggi cosmici di origine galattica. Per galassie lontane non c’è prova diretta. L’osservazione della radiazione emessa non dice nulla: i fotoni sono esattamente uguali agli antifotoni ( il fotone è l’antiparticella di se stesso). Quindi l’uso del telescopio spaziale non aiuta a capire se l’universo lontano o parti di esso siano costituiti da materia o antimateria. Tuttavia, ci sono vari elementi che, più o meno indirettamente, portano ad escludere lo scenario in cui esistono parti di universo dominate da materia e parti dominate da antimateria. Per esempio, dovremmo osservare i lampi emessi dall’occasionale annichilazione di materia ed antimateria. Inoltre, è improbabile che grandi porzioni di materia si siano separate abbastanza velocemente da analoghe porzioni di antimateria in seguito al big bang.

Tutto sembra corroborare l’ipotesi che l’Universo attuale sia dominato da materia. Occorre sottolineare che, per generare l’attuale asimmetria, è sufficiente uno sbilancio incredibilmente piccolo. Sarebbe bastato che per ogni 30 milioni di antibarioni ci fossero stati 30 milioni ed 1 barione nel primo microsecondo dell’universo.

2) Generazione dell’asimmetria

La risposta più semplice, ma meno soddisfacente, è che l’universo è cominciato così, con quella particella in più ogni trenta milioni. Questa ipotesi turba fortemente i nostri canoni estetici e non fa che generare un’altra domanda: chi ha messo quella particella in più ?

Più probabilmente, l’ asimmetria si è generata in modo dinamico durante la formazione dell’universo. In altre parole, l’asimmetria, o la rottura di simmetria, è dovuta ai processi tra particelle ed antiparticelle.

Sakarov ha dimostrato che ci sono tre condizioni necessarie per creare le concentrazioni appropriate di barioni nell’ Universo:

a) Violazione del numero barionico B

In una reazione tra particelle elementari, nella gran maggioranza dei casi il numero di barioni (B) si conserva.

Devono pero’ esistere processi che trasformano gli antibarioni in qualcos’altro

e lasciano i barioni in soprannumero. Diversamente, l’asimmetria può solo derivare da condizioni iniziali.

b)Violazione di C e di CP.

La presenza di reazioni che violano B non è sufficiente: bisogna che questi processi non avvengano in modo simmetrico per barioni ed antibarioni. In caso contrario, a trasformarsi sarebbero sia i barioni sia gli antibarioni con uguale probabilità, il che non può dare luogo ad asimmetrie. E’ necessario che le simmetrie C e CP siano violate, ovvero, in breve, che ci siano reazioni che avvengono in modo asimmetrico per particelle e per antiparticelle.

c) Fasi di non equilibrio termodinamico

Si può dimostratre che, pur in presenza di violazione delle suddette simmetrie, in presenza di equilibrio termodinamico il sistema tenderebbe a ricostituire l’equilibrio chimico, e quindi la simmetria.

Una volta capite quali siano le condizioni necessarie perché l’Universo si sia evoluto fino a diventare tale come lo osserviamo, possiamo chiederci se le teorie attuali possano rendere conto dei meccanismi coinvolti in tali condizioni.

Il non equilibrio termodinamico iniziale è spiegato dal modello cosmologico del Big Bang. L’espansione dell’Universo, e quindi il suo raffreddamenteo, fornirebbe le richieste condizioni di non equilibrio.

La violazione di B è prevista sia dalle teorie di Grande Unificazione (GUT) sia dal modello unificato delle interazioni elettrodeboli.

La violazione di CP è stata osservata già negli anni 60 nel decadimento dei Kaoni neutri. Proprio la natura di questa violazione di simmetria è uno dei temi più attuali di ricerca in Fisica delle Particelle. L’asimmetria misurata in laboratorio è troppo piccola per dare ragione delle concentrazioni barioniche che osserviamo. Inoltre non è ovvio il legame tra la violazione di CP che si osserva a basse energie e quella in gioco alle alte energie dei processi di bariogenesi.

Varie teorie avanzano ipotesi sulla natura della violazione di CP, tentando di spiegare come possa manifestarsi in modi diversi a basse piuttoso che ad alte energie. Esperimenti tuttora in corso cercano di far luce su questo punto.

L’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare contribuisce attivamente a questo ramo di ricerca. In particolare, ricordiamo l’epserimento Cleo a Frascati,

BaBar a Stanford e NA48 al Cern.

Speriamo tra qualche anno di avere qualche elemento in più per fare luce su questo affascinante argomento.

Bibliografia:

1. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/baryogenesis.html

2. http://ucsub.colorado.edu/~flournoy/Introduction0.html

3. Kloe www.lnf.infn.it/kloe

4. Babar http://www-public.slac.stanford.edu/babar/

5. Na48 www.pg.infn.it/na48doc/

6. Violazione di CP:

http://www.cerncourier.com/main/article/39/8/16