Il Modello Standard e il mistero dell'antimateria scomparsa

Materia e antimateria dovrebbero esistere in quantità simili nell'Universo, oppure non dovrebbe esistere nulla! Un'indagine scientifica là dove il Modello Standard sembra non saper rispondere.

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Il Modello Standard, la teoria principe della fisica delle particelle, ha funzionato alla perfezione nel prevedere a livello teorico ciò che la fisica sperimentale ha poi potuto osservare, con "strumenti" come l'LHC, sui blocchi che costituiscono la materia. Tuttavia la teoria è ancora incompleta: l'ipotesi Two Higgs Doublet Model potrebbe colmare una lacuna.

Il Modello Standard della fisica delle particelle è la teoria che cerca di spiegare la struttura dell'infinitamente piccolo e dell'Universo nel suo insieme: in base a questa visione, materia e antimateria si formarono in eguali quantità, con il Big Bang.

 

L'antimateria è... come la materia, tranne che per la carica elettrica, che è opposta. Un esempio: un "elettrone" di antimateria, chiamato positrone (o antielettrone) ha carica positiva, anziché negativa (naturalmente è tutto relativo: positivo e negativo sono convenzioni, ma questo non cambia il fatto che parliamo di cariche opposte). Se materia e antimateria vengono a contatto, annichiliscono, ossia si riducono al nulla in un evento catastrofico che produce energia pura.

 

A questo punto, e per quanto siano banali, ecco le domande inevitabili: dov'è finita l'antimateria? Se erano in eguali quantità, perché una è scomparsa (anche se forse non del tutto, pensano alcuni) e l'altra ha pervaso tutto ciò che conosciamo?

Modello Standard, le particelle che costituiscono la materia nota
Questa tabellina non riesce a rispondere a tutte le domande (clic sull'immagine per ingrandirla). Letture: a cosa serve il modello standard?

Una strada nuova. Per quanto "forte", il Modello Standard (la Meraviglia Suprema, a detta di alcuni fisici) sembra non poter rispondere, perciò capire la "situazione attuale dell'Universo" - compresa la mancanza di antimateria - e colmare alcune lacune della nostra principale teoria è la vera sfida che vede in campo scienziati di varie discipline.

 

Una delle possibilità è quella di ipotizzare (e poi tentare di trovare) nuove particelle che possano spiegare le discrepanze, come nel caso dell'ipotesi nota come Two Higgs Doublet Model (2HDM), che vorrebbe aggiungere quattro particelle al Modello Standard.

 

Al momento sembra che questa linea di pensiero sia in accordo con le osservazioni realizzate grazie all'LHC del Cern, l'acceleratore di particelle attualmente più grande e potente al mondo. Tuttavia, ancora non riesce a spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria.

 

Percorrendo questa strada, un nutrito gruppo di ricercatori di diverse università (della Norvegia, Finlandia, Olanda e Usa) si è proposto di affrontare il problema da un punto di vista differente. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

 

LHC, bosone di Higgs
Forse il bosone di Higgs è, a sua volta, il risultato di forze e particelle ancora più elementari. | CERN

 

Meno variabili per favore! Il tutto parte dall'ipotesi, finora confermata dalla maggior parte delle linee di pensiero, che dieci picosecondi dopo il Big Bang, mentre l'Universo era solo plasma, prese forma il bosone di Higgs.

 

A questo punto entra in gioco il metodo (importato da altre discipline scientifiche) della riduzione dimensionale, per ridurre il numero di variabili in gioco e rendere più semplice il problema.

 

«In questo modo abbiamo sostituito la teoria che descrive il plasma con una teoria quantistica più semplice», afferma David Weir (Istituto di Fisica di Helsinki, Finlandia). «Questo modello vuole che tutte le particelle debbano seguire un insieme di regole e ci mostra che le particelle più pesanti non subiscono alterazioni in virtà di tali regole. Quindi l'ipotesi sembra valida, ed è meno complicata da gestire.»

 

 

È la strada giusta? Modelli computerizzati di questo approccio permettono di avere uno scenario che spiega che cosa può essere successo quando si è apparso il bosone di Higgs e che cosa ha determinato l'asimmetria tra materia e antimateria, utilizzando l'ipotesi della "doppia coppia" di Higgs. Un risultato di notevole interesse, perché il complesso esercizio dimostra che, stabilito un insieme di regole, è possibile spiegare l'assenza di antimateria nell'Universo.

 

Tuttavia, se il bosone di Higgs si "accese" in modo così violento come vuole l'ipotesi su cui si basa il lavoro del team, avrebbe dovuto lasciare degli "echi" nel plasma, echi simili a bolle o a nuvole che si sarebbero espanse fino a collidere tra loro e a produrre onde gravitazionali. Come vedete, i tentativi di semplificazione semplificano poco, alla fine: ora i ricercatori dovranno cercare quelle onde gravitazionali, nell'ambito del progetto europeo LISA.

 

23 Novembre 2018 | Luigi Bignami