La felice asimmetria dell'Universo

Se doveste mai incontrare un individuo in carne e ossa che appaia come la vostra immagine allo specchio, sarebbe prudente evitare contatti precipitosi per il rischio di dissolvervi entrambi in un intenso lampo di radiazione. Il vostro sosia potrebbe essere composto da antimateria, dove tutte le particelle elementari che compongono la materia "ordinaria" che ci circonda, ovvero i quark che formano i protoni e i neutroni del nucleo atomico e gli elettroni che vi orbitano attorno, sono sostituite dai loro "parenti" aventi identica massa e spin ma carica elettrica opposta: antiquarks e antielettroni, detti più comunemente positroni per la loro carica positiva.

La presenza di antimateria nell'ambiente che ci circonda è estremamente rara e sfuggente: i positroni possono essere prodotti dall'azione dei raggi cosmici o nel decadimento di nuclei atomici radioattivi, ma spariscono rapidamente dato che quando un positrone collide con un elettrone la coppia si annichila tramutandosi il più delle volte in fotoni (quanti di luce) ad alta energia, ovvero raggi X.  Questo fenomeno ha oggi un'importante applicazione come diagnostica medica (tomografia a emissione di positroni o Pet) dove nuclei radioattivi vengono legati a molecole di farmaci il cui percorso nel corpo viene tracciato grazie alla rivelazione dei raggi X prodotti dall'annichilazione.

Antiparticelle possono essere prodotte nei grandi acceleratori e usate a loro volta per generare altre particelle come il celebre bosone di Higgs osservato nel 2012 al Large Hadron Collider del Cern di Ginevra come prodotto della collisione tra protoni e antiprotoni ad altissima energia. Ma per produrre abbondante antimateria non è necessario usare grandi macchine: nel 2015 un team guidato da Gianluca Sarri dell'Università di Belfast con partecipazione di ricercatori Cnr ha usato un acceleratore "da tavolo" a intenso flusso elettronico, basato su un laser di altissima potenza, per generare una mistura (detta propriamente "plasma") di oltre 10 milioni di positroni ed elettroni. Plasmi di elettroni e positroni costituiscono probabilmente le atmosfere di stelle di neutroni e di buchi neri, per cui la loro produzione in laboratorio può fornire un banco di prova per la fisica degli ambienti "estremi" nell'Universo lontano. In prospettiva, i laser superintensi potrebbero produrre elettroni e positroni dal vuoto che, secondo la fisica quantistica, brulica di coppie "virtuali" elettrone-positrone che nascono e spariscono senza essere osservate: l'enorme campo elettromagnetico associato all'impulso laser potrebbe separare queste coppie prima della loro annichilazione e produrre "a cascata" un plasma.

Scambiando particelle e antiparticelle è possibile realizzare la versione "antimateriale" di ogni atomo (e quindi, in linea di principio, di ogni oggetto): nel 1995 è stato prodotto in laboratorio l'anti-idrogeno, dove un positrone orbita intorno a un antiprotone. Più recentemente (2019) al "Positron laboratory" di Como è stato condotto un classico esperimento di interferenza di particelle, ma sostituendo queste con le antiparticelle corrispondenti. Questi risultati hanno confermato che materia e antimateria hanno un comportamento "speculare": se in ogni fenomeno fisico osservato scambiassimo le particelle con le antiparticelle otterremmo lo stesso fenomeno con la sola differenza che il fenomeno apparirebbe visto allo specchio (in realtà questa simmetria è "quasi" esatta; lo sarebbe del tutto se facessimo anche girare il filmato del fenomeno al contrario, come se il tempo invertisse la propria direzione, ed effettivamente le antiparticelle sono state anche descritte come particelle che vanno indietro nel tempo)

Ma proprio le conferme della simmetria tra materia e antimateria mettono in luce il dubbio più fondamentale: perché l'Universo visibile pare contenere quasi esclusivamente materia, se l'antimateria è regolata dalle stesse leggi? La risposta è probabilmente legata a come l'Universo ha avuto origine. Infatti, i processi conosciuti per cui particelle e antiparticelle si trasformano tra loro conservano la differenza tra il loro numero totale, ovvero il bilancio attuale tra materia e antimateria non può cambiare. Ma nelle primissime fasi dopo il Big Bang potrebbero essere state operative leggi fisiche diverse, in grado di generare uno sbilancio iniziale tra materia e antimateria che si è poi conservato nell'evoluzione successiva dell'Universo. D'altra parte, oggi sappiamo che la natura può creare situazioni asimmetriche anche sottostando a leggi vincolate da principi di simmetria (il sopracitato Higgs ne è un esempio).

Qualunque sia stata la sua origine, all'asimmetria materia-antimateria dobbiamo essere grati dato che fa parte delle condizioni necessarie alla nostra esistenza: un Universo composto in parti eguali da materia e antimateria in continua annichilazione sarebbe difficilmente abitabile, col nostro sosia "antimateriale" sempre in agguato (a rigore non si può escludere del tutto che nell'Universo lontano esistano intere galassie, con le loro stelle e pianeti, costituite interamente di antimateria; purché siano ben separate dalle corrispettive galassie "materiali"). Se dovessimo quindi identificare la simmetria con la perfezione, una volta di più dovremmo elogiare l'imperfezione della natura.

Fonte: Andrea Macchi, Istituto nazionale di ottica, andrea.macchi@ino.cnr.it