Una delle grandi domande della scienza non è solo "perché siamo qui?", ma anche "perché c'è qualcosa qui?" ed è a questo quesito che gli scienziati del CERN stanno cercando risposta con l'esperimento BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment). Non avete letto male, in soldoni ci stiamo chiedendo se l'Universo esista davvero. Che domanda direte voi, certo che esiste, ci viviamo! Ma cosa differente è dimostrare scientificamente il perché.
La questione è tutt'altro che secondaria, perché come ci spiega la dottoressa Michela Prest, quando nel Big Bang l'energia si è trasformata in materia, non avendo carica, avrebbe dovuto produrre tanta materia quanta antimateria. Ma quando una particella di materia incontra una particella di antimateria, le due si annichiliscono e producono energia. Quindi noi non dovremmo essere qui!
Gli astronomi hanno osservato che per ogni particella di materia nell'Universo ci sono circa 1 miliardo di fotoni. In altre parole, per ogni miliardo di particelle di materia e antimateria prodotte subito dopo il Big Bang, una particella di materia è sopravvissuta. Immaginate 2 squadre, la squadra "materia" con 500 milioni di giocatori e la squadra "antimateria" con altrettanti giocatori. Ogni volta che si incontrano, annichilano e producono 2 fotoni. Ma la squadra di materia aveva pure un giocatore in panchina! Infatti noi ci siamo e siamo fatti di protoni, neutroni ed elettroni (non di antiprotoni, antineutroni e antielettroni). Per ora, non sappiamo perché.
Per cercare di capire, bisogna studiare le proprietà della materia e dell'antimateria e confrontarle. Se dovesse emergere una qualche differenza, si potrà cominciare a capire cosa va cambiato nel Modello Standard della Fisica.
L'Universo è attualmente descritto tramite quattro interazioni fondamentali, che sono l'interazione gravitazionale e le tre interazioni previste dal Modello Standard: l'interazione elettromagnetica (che descrive fenomeni come l'elettricità, il magnetismo, l'ottica), l'interazione debole (responsabile della produzione di energia da parte del Sole e di quasi tutti i fenomeni radioattivi), l'interazione forte (responsabile dell'esistenza dei nuclei e dell'energia nucleare). Il Modello Standard non dispone di elementi sufficienti per spiegare perché l'Universo primitivo non si sia annullato, lasciando solo un mare di energia. Quello che stanno facendo gli scienziati da tempo è quindi cercare una qualche caratteristica della materia o dell'antimateria che avrebbe potuto rendere asimmetrico l'Universo precoce.
L'ostacolo maggiore a questi studi è che l'antimateria è estremamente difficile da studiare: ha carica opposta ma proprietà quantistiche identiche alla materia, con il risultato che non appena le due vengono in contatto si annichiliscono a vicenda. Gli scienziati dell'esperimento BASE del CERN hanno dovuto ingegnarsi e hanno trovato un modo per analizzare il momento magnetico dell'antimateria, ossia come risponde alle interazioni magnetiche.
Il trucco è stato quello di realizzare un contenitore che potesse conservare l'antimateria - perché tutti i contenitori tradizionali sono fatti di materia. Si tratta di una speciale camera super-fredda che sfrutta un campo magnetico per tenere sospeso un antiprotone (essenzialmente un nucleo di anti-idrogeno). Tenendo sospeso il nucleo nel campo magnetico per 405 giorni, gli scienziati di BASE hanno eseguito misurazioni precise del suo momento magnetico. Il risultato è -2.7928473441 magnetoni nucleari, una misura 350 volte più precisa di quelle precedenti, e che corrisponde al valore esattamente simmetrico rispetto a un normale protone. Che cosa significa? Che è scientificamente appurato che il momento magnetico non è ciò che ha causato lo squilibrio originale nell'Universo.
La ricerca ovviamente è tutt'altro che terminata: non sappiamo ancora perché l'Universo esista, ma abbiamo escluso un'ipotesi e possiamo passare alla successiva, ossia all'analisi della gravità dell'antimateria, a cui il CERN sta già lavorando, e via dicendo.
È da notare infatti che esperimenti come LHCb e Alice per esempio lavorano su questi stessi argomenti, cercando di capire dai loro eventi se emerge qualcosa che possa "aprire la porta". Lo stesso vale per gli esperimenti che studiano il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini al Gran Sasso - e che sono finalizzati a capire se il neutrino è una particella di Dirac o di Majorana (cioè se neutrino e antineutrino sono diversi, come previsto dal Modello Standard, o se sono la stessa particella, come ipotizzato da Majorana).
Chissà quando e come lo capiremo... restate sintonizzati!
Michela Prest, Professore Associato di Fisica, Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia, Università degli Studi dell'Insubria. Fisico delle particelle, laureata con una tesi nell'ambito di DELPHI (CERN), ha conseguito il dottorato sviluppando un rivelatore innovativo per mammografia digitale con luce di sincrotrone (Trieste). È stata responsabile dello strumento principale del satellite AGILE (piccola missione ASI) lanciato nel 2007 dall'India, vincitore nel 2012 del Bruno Rossi Prize (American Astronomical Society). Si occupa di sviluppo di sistemi di rivelazione per la fisica delle particelle, la fisica medica e la fisica dello spazio; è autrice di oltre 200 pubblicazioni e esperta di divulgazione scientifica.
La Fisica delle particelle vi incuriosisce? Leggete il libro Diavolo di una particella: Perchè il bosone di Higgs cambierà la nostra vita del fisico del CERN Dario Menasce!