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0256. Se alla nascita dell'Universo si sono formate particelle e antiparticelle, come hanno fatto a rimanere solo le particelle?

espertomini

Se alla nascita dell'Universo si sono formate particelle e antiparticelle, come hanno fatto a rimanere solo le particelle? Se tutte le particelle e le antiparticelle iniziali si fossero scontrate si sarebbe sprigionata un enorme energia. Allora dal nulla si crea energia? Secondo me invece all'inizio si sono formati due Universi paralleli uno con energia positiva e uno con energia negativa,gli spazi in cui sono immersi si allontanano a una velocità superiore alla velocità della luce. Queste due energie se si incontrassero si annullerebbero a vicenda senza creare energia, come una carica positiva e una negativa . Si tornerebbe al nulla originario? (Giovanni Alberti) (2130)



sem_esperto_verdePer discutere il quesito posto è opportuno ricapitolare brevemente come è nata l’idea del big bang icona_fumetto e quali sono le nostre attuali conoscenze sulla materia e sulla antimateria icona_approfondimento (per studio più approfondito consiglio invece la lettura del libro di Stephen Weinberg: “I primi tre minuti” ed. Mondadori).

L’idea del big bang risale alla scoperta (Hubble icona_biografia) che il nostro Universo è in continua espansione icona_approfondimento . Dalla attuale velocità di espansione icona_esperto[111] si può stimare che intorno ad una decina di miliardi di anni fa l’universo fosse piccolissimo e “caldissimo”. In qualche modo l’intero universo si è poi da questi primi istanti espanso e raffreddato in maniera analoga a quanto avverrebbe ad un gas caldo lasciato libero di espandersi. Come era fatto l’universo nei primi secondi? La temperatura è legata alla energia di moto della particelle che compongono questo gas primordiale (per una formula abbastanza nota questa energia è data dalla formula icona_approfondimento icona_wy2005 dove m è la massa della particella, c la velocità della luce e dove ancora la massa dipende dalla velocità acquistando valori estremamente grandi quando la velocità della particella si avvicina a quella della luce).

Perciò nei primi istanti ci doveva essere un gas costituito da tutte la particelle che conosciamo (e forse da altre che non abbiamo potuto creare nei nostri laboratori dove possiamo solo creare particelle con una energia relativamente piccola rispetto a quella delle particelle nei primi istanti del big bang). Certamente non c’erano gli atomi che costituiscono la nostra materia ordinaria (quella di cui siamo costituiti) , fatti di protoni icona_glossario, neutroni icona_glossario, elettroni icona_glossario perché questi ultimi avevano delle energie troppo alte per poter restare attaccati ai protoni ed ai neutroni. Se ci si spinge molto vicini ai primissimi istanti forse non c’erano neanche i protoni ed i neutroni che oggi sappiamo che sono “fatti” da quark icona_glossario. Forse c’era quella che viene chiamata una zuppa di quark, di elettroni e di stretti loro parenti e possibilmente di altre particelle non ancora scoperte. Pensiamo però, in base alle nostre attuali conoscenze, che dovessero essere presenti in quasi uguale misura particelle ed antiparticelle icona_glossario. Noi sappiamo infatti che per ogni particelle esiste una sua immagine speculare che chiamiamo antiparticella: agli elettroni corrispondono antielettroni (chiamati anche icona_approfondimento positroni), ai protoni corrispondono antiprotoni, ai quark gli antiquark . La caratteristica delle antiparticelle è che vengono sempre create in coppia con la rispettive particelle (negli acceleratori icona_approfondimento , nei raggi cosmici, ), non è cioè possibile creare ad esempio un antiprotone da solo ma solo una coppia protone antiprotone.

Per questa simmetria speculare possiamo immaginare anche un antimondo costituito da antiparticelle: ad esempio l’anti-idrogeno è costituto da un anti-elettrone legato ad un anti-protone Che questa non sia una speculazione fantascientifica è stato provato al CERN di Ginevra icona_linkesterno dove l’anti-.idrogeno è stato “costruito” icona_esperto[10] icona_esperto[11] effettivamente (solo pochi antiatomi per motivi pratici ) (Per una introduzione all’antimateria si può anche consultare (in inglese icona_linkesterno) ) L’altra caratteristica fondamentale delle antiparticelle è che scontrandosi con le particelle spariscono in due quanti di luce (fotoni icona_glossario). Nei primi istanti dell’universo doveva esserci quindi un equilibrio con una continua creazione di coppie di particelle antiparticelle ed una continua annichilazione in quanti di luce.

Quindi doveva esistere una simmetria tra materia ed antimateria icona_approfondimento . Il nostro universo attuale sembra però fatto solo tipo di materia icona_approfondimento che per essere quella che vediamo intorno a noi chiamiamo appunto materia e non antimateria. Se da qualche parte del nostro universo esistesse una antigalassia la vedremmo prima o poi toccare della materia e dare luogo ad una gigantesca esplosione di luce icona_esperto[5]. La domanda del nostro web-nauta è dunque: dove è finita l’antimateria se nei primi istanti questa era così frequente come l’antimateria ?

E’ una domanda alla quale non si sa dare a tutt’oggi una risposta completamente soddisfacente. Il motivo è che la nostra conoscenza delle particelle è legata alle esperienze fatte ad energie miliardi di miliardi di miliardi di volte più basse di quelle ordinarie nei primi istanti. Alcune cose però le possiamo dire. Innanzitutto ci deve essere una sia pure piccolissima differenza tra materia ed antimateria senza la quale l’universo sarebbe restato per sempre simmetrico. Questa piccolissima differenza è stata scoperta e le sue origini vengono studiate molto intensamente icona_approfondimento. Se originariamente c’era una piccolissimo eccesso di materia sulla antimateria questa piccolissima parte in eccesso è quella che costituisce il nostro universo, il resto si è annichilito in fotoni. Quello che resta di questo gas di fotoni primordiali, oramai raffreddatosi sino ad una temperatura di circa -270 °C, è quello che costituisce il fondo cosmico icona_glossario di radiazione scoperto da Penzias icona_biografia e Wilson icona_biografia. Per il raffreddamento i fotoni, che inizialmente erano di altissima energia e rilevabili come raggi gamma, sono diventati fotoni di bassa energia e sono stati rivelati come un fondo diffuso proveniente da ogni direzione nel campo delle microonde icona_approfondimento dai due scienziati (Per questa altra affascinante storia v. ad. es. il già citato libro di Weinberg “I primi tre minuti” ed. Mondadori). In effetti la quantità di energia di fotoni presente nel nostro universo è di gran lunga predominante rispetto alla energia della materia, il che sta ad indicare che l’originale equilibrio tra fotoni a particelle si è rotto quando la maggior parte della materia si è annichilata.

Naturalmente, visto che i fisici vogliono sempre per così dire “toccare con mano”, la ricerca di antimateria nell’universo sta andando avanti: dal 2011 per esempio è in orbita un esperimento denominato AMS (vedi anche il numero di marzo 2004 de “Le Scienze” )  per la ricerca di antimateria primordiale. E continuano anche gli esperimenti per capire se l’antimateria ha effettivamente tutte le proprietà della materia. Ad es. al CERN si vuole vedere se, per la loro massa, gli antiprotoni “cadono” verso la Terra come gli ordinari protoni o in altre parole se una palla di antimateria cadrebbe verso la nostra Terra come una palla di materia o se una antiterra si muoverebbe intorno al Sole come la Terra. A quanto sappiamo finora così sembra che sia con grandissima precisione. E questo ci porta alla seconda parte della domanda. E’ possibile che la materia ed antimateria primordiale si siano allontanate creando due universi distinti che si allontanano fra loro con una velocità superiore a quella della luce? La risposta, al momento è no. Prima di tutto è assai difficile concepire un meccanismo che porti ad una repulsione tra materia ed antimateria (sicuramente le forze elettriche e dovute alla gravità sono attrattive). Materia ed antimateria si comportano allo stesso modo (vedi sopra) per quanto riguarda la forza di attrazione gravitazionale ed è anche quasi impossibile pensare ad una estensione della gravitazione che non incorpori questo fenomeno. Inoltre particelle con massa ordinaria si comportano come la materia ordinaria e si muovono perciò sempre a velocità inferiori a quelle della luce (per il problema della possibile esistenza di materia non ordinaria che si muove a velocità superiore a quella della luce vedi le risposte sull’argomento icona_esperto[27] , icona_esperto[197] ).

Paolo Lariccia – Fisico


 

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