Nell'universo primordiale , subito dopo il Big Bang, la " materia " e l'"antimateria" esistevano in egual misura. Tuttavia, per ragioni finora sconosciute, la " materia " domina l' universo attuale . I ricercatori del progetto T2K hanno recentemente dimostrato la possibile presenza di una violazione della simmetria carica-parità nei neutrini e le corrispondenti oscillazioni degli antineutrini. Questo rappresenta un passo avanti nella comprensione del perché la materia domini l' universo.
Il Big Bang (avvenuto circa 13.8 miliardi di anni fa) e altre teorie fisiche correlate suggeriscono che l' universo primordiale fosse dominato dalla radiazione e che la materia e l' antimateria fossero presenti in egual misura.
Ma l' universo che conosciamo oggi è dominato dalla 'materia'. Perché? Questo è uno dei misteri più intriganti dell'universo . (1).
L' universo che conosciamo oggi è iniziato con quantità uguali di "materia" e "antimateria", create in coppia come richiesto dalle leggi della natura, e poi annientate ripetutamente producendo radiazioni note come "radiazione cosmica di fondo". Entro circa 100 microsecondi dal Big Bang, la materia (particelle) ha in qualche modo iniziato a superare in numero le antiparticelle, diciamo di una ogni miliardo, e in pochi secondi tutta l'antimateria è stata distrutta, lasciando dietro di sé solo la materia.
Qual è il processo o meccanismo che creerebbe questo tipo di differenza o asimmetria tra la materia e l'antimateria?
Nel 1967, il fisico teorico russo Andrei Sakharov postulò tre condizioni necessarie affinché si verificasse uno squilibrio (ovvero la produzione di materia e antimateria a velocità diverse) nell'universo . La prima condizione di Sakharov è la violazione del numero barionico (un numero quantico che si conserva in un'interazione). Ciò significa che i protoni decadono estremamente lentamente in particelle subatomiche più leggere come un pione neutro e un positrone. Analogamente, un antiprotone decade in un pione e un elettrone. La seconda condizione è la violazione della simmetria di coniugazione di carica, C, e della simmetria di coniugazione di carica-parità, CP, detta anche violazione di carica-parità. La terza condizione è che il processo che genera l'asimmetria barionica non deve essere in equilibrio termico a causa della rapida espansione che riduce la probabilità di annichilazione di coppie.
È il secondo criterio di violazione di CP di Sakharov, che è un esempio di una sorta di asimmetria tra le particelle e le loro antiparticelle che descrive il modo in cui decadono. Confrontando il modo in cui le particelle e le antiparticelle si comportano, cioè il modo in cui si muovono, interagiscono e decadono, gli scienziati possono trovare prove di tale asimmetria. La violazione di CP fornisce una prova che alcuni processi fisici sconosciuti sono responsabili della produzione differenziale di materia e antimateria.
È noto che le interazioni elettromagnetiche e "forti" sono simmetriche rispetto a C e P, e di conseguenza sono anche simmetriche rispetto al prodotto CP (3). "Tuttavia, questo non è necessariamente il caso per l'interazione debole, che viola entrambe le simmetrie C e P", afferma il Prof. BA Robson. Aggiunge inoltre che "la violazione di CP nelle interazioni deboli implica che tali processi fisici potrebbero portare a una violazione indiretta del numero barionico, in modo che la creazione di materia sia preferita alla creazione di antimateria". Le particelle non quark non mostrano alcuna violazione di CP, mentre la violazione di CP nei quark è troppo piccola e insignificante per avere una differenza nella creazione di materia e antimateria. Pertanto, la violazione di CP nei leptoni ( neutrini ) diventa importante e, se fosse dimostrata, spiegherebbe perché l' universo è dominato dalla materia.
Sebbene la violazione della simmetria CP non sia ancora stata dimostrata in modo definitivo (1), i risultati riportati di recente dal team T2K mostrano che gli scienziati sono davvero vicini a essa. È stato dimostrato per la prima volta che la transizione da particella a elettrone e neutrino è favorita rispetto alla transizione da antiparticella a elettrone e antineutrino, attraverso esperimenti altamente sofisticati al T2K (Tokai to Kamioka) (2). T2K si riferisce a una coppia di laboratori, il Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) a Tokai e l'osservatorio sotterraneo di neutrini Super-Kamiokande a Kamioka, in Giappone, separati da circa 300 km. L'acceleratore di protoni a Tokai ha generato particelle e antiparticelle da collisioni ad alta energia e i rivelatori a Kamioka hanno osservato i neutrini e le loro controparti di antimateria, gli antineutrini, effettuando misurazioni molto precise.
Dopo l'analisi di diversi anni di dati presso T2K, gli scienziati sono stati in grado di misurare il parametro chiamato delta-CP, che governa la rottura della simmetria CP nell'oscillazione dei neutrini, e hanno trovato una discrepanza o una preferenza per l'aumento del tasso di neutrini che potrebbe portare alla conferma della violazione di CP nel modo in cui neutrini e antineutrini oscillano. I risultati ottenuti dal team di T2K sono statisticamente significativi con un livello di significatività di 3 sigma, ovvero del 99.7%. Si tratta di un traguardo fondamentale, poiché la conferma della violazione di CP che coinvolge i neutrini è legata al predominio della materia nell'universo . Ulteriori esperimenti con un database più ampio verificheranno se questa violazione della simmetria CP leptonica è maggiore della violazione di CP nei quark. In tal caso, avremo finalmente la risposta alla domanda: perché l' universo è dominato dalla materia?
Sebbene l'esperimento T2K non stabilisca chiaramente che si sia verificata una violazione della simmetria CP, rappresenta una pietra miliare in quanto mostra in modo conclusivo una forte preferenza per un aumento del tasso di scambio elettrone-neutrone e ci avvicina alla dimostrazione dell'esistenza di una violazione della simmetria CP e, in definitiva, alla risposta al quesito "perché l' universo è dominato dalla materia".
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Riferimenti:
1. Università di Tokyo, 2020. ''I risultati di T2K limitano i possibili valori della fase CP dei neutrini -…..'' Comunicato stampa pubblicato il 16 aprile 2020. Disponibile online all'indirizzo http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Accesso effettuato il 17 aprile 2020.
2. La collaborazione T2K, 2020. Vincolo sulla fase di violazione della simmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. Nature volume 580, pagine 339–344 (2020). Pubblicato: 15 aprile 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Il problema dell'asimmetria materia-antimateria. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
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