Nell'universo primordiale, subito dopo il Big Bang, la "materia" e l'"antimateria" esistevano entrambe in egual misura. Tuttavia, per le ragioni finora sconosciute, la 'materia' domina l'universo presente. I ricercatori di T2K hanno recentemente mostrato il verificarsi di una possibile violazione della parità di carica nel neutrino e le corrispondenti oscillazioni dell'antineutrino. Questo è un passo avanti nella comprensione del motivo per cui la materia domina l'universo.
Il Big Bang (avvenuto circa 13.8 miliardi di anni fa) e altre teorie fisiche correlate suggeriscono che i primi universo era la radiazione 'dominante' e il 'importanza' e il 'antimateria' esisteva in egual quantità.
Ma l'universo che conosciamo oggi è 'materia' dominante. Come mai? Questo è uno dei misteri più intriganti dell'universo. (1).
La rotta universo che sappiamo oggi è iniziato con quantità uguali di "materia" e "antimateria", entrambi sono stati creati in coppia come richiederebbe la legge di natura e poi sono stati annientati ripetutamente producendo radiazioni note come "radiazione di fondo cosmica". Entro circa 100 micro secondi dal Big Bang la materia (particelle) ha iniziato in qualche modo a superare in numero l'antiparticella, diciamo una su ogni miliardo e in pochi secondi tutta l'antimateria è stata distrutta, lasciandosi dietro solo 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 uno squilibrio (o produzione di materia e antimateria a velocità diverse) si verificasse nell'universo. La prima condizione di Sakharov è la violazione del numero barionico (un numero quantico che si conserva in un'interazione). Significa che i protoni sono decaduti molto lentamente in particelle subatomiche più leggere come un pione neutro e un positrone. Allo stesso modo, un antiprotone è decaduto in un pione e in un elettrone. La seconda condizione è la violazione della simmetria di coniugazione della carica, C, e della simmetria della parità di coniugazione della carica, CP chiamata anche violazione della parità di carica. 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 il verificarsi dell'annichilazione di coppia.
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.
Si sa che le interazioni elettromagnetiche e forti sono simmetriche sotto C e P, e di conseguenza sono simmetriche anche sotto il prodotto CP (3). ''Tuttavia, questo non è necessariamente il caso dell''interazione debole', che viola le simmetrie C e P'' dice il prof. BA Robson. Dice inoltre che “la violazione di CP nelle interazioni deboli implica che tali processi fisici potrebbero portare alla violazione indiretta del numero barionico in modo che la creazione di materia sarebbe 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. Quindi, la violazione di CP nei leptoni (neutrini) diventa importante e se viene dimostrata, allora risponderebbe al motivo per cui l'universo è dominante nella materia.
Sebbene la violazione della simmetria CP debba ancora essere dimostrata in modo conclusivo (1), i risultati riportati dal team T2K di recente mostrano che gli scienziati sono molto vicini a ciò. E' stato dimostrato per la prima volta che la transizione da particella ad elettrone e neutrino è favorita rispetto alla transizione da antiparticella ad elettrone e antineutrino, attraverso esperimenti altamente sofisticati a T2K (Tokai to Kamioka) (2). T2K si riferisce a una coppia di laboratori, il Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) in Tokai e l'osservatorio sotterraneo di neutrini Super-Kamiokande nel Kamioka, Giappone, separati da circa 300 km. L'acceleratore di protoni di Tokai ha generato le particelle e le antiparticelle da collisioni ad alta energia e i rivelatori di 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 a T2K, gli scienziati sono stati in grado di misurare il parametro chiamato delta-CP, che governa la rottura della simmetria CP nell'oscillazione del neutrino e hanno trovato il disadattamento o una preferenza per l'aumento della velocità dei neutrini che può eventualmente portare a la conferma della violazione di CP nel modo in cui oscillavano neutrini e antineutrini. I risultati trovati dal team T2K sono significativi con una significatività statistica di 3-sigma o livello di confidenza del 99.7%. È una pietra miliare poiché la conferma della violazione di CP che coinvolge i neutrini è collegata al dominio della materia nell'universo. Ulteriori esperimenti con database più grandi verificheranno se questa violazione della simmetria CP leptonica è maggiore della violazione CP nei quark. Se è così, avremo finalmente la risposta alla domanda Perché l'universo è dominante nella materia.
Sebbene l'esperimento T2K non stabilisca chiaramente che si è verificata una violazione della simmetria CP, ma è una pietra miliare nel senso che mostra in modo conclusivo una forte preferenza per una maggiore velocità di neutroni degli elettroni e ci porta più vicini a dimostrare il verificarsi della violazione della simmetria CP e infine al rispondere 'perché l'universo è materia dominante'.
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Riferimenti:
1. Università di Tokyo, 2020. ''I risultati T2K limitano i possibili valori della fase Neutrino CP -…..'' Comunicato stampa pubblicato il 16 aprile 2020. Disponibile online su http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Consultato il 17 aprile 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Vincolo sulla fase di violazione della simmetria materia-antimateria nelle oscillazioni del neutrino. Natura 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. Giornale di fisica delle alte energie, gravitazione e cosmologia, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
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