Perché il nostro universo vortichi di più materia rispetto alla sua bizzarra controparte antimateria - e perché esistiamo affatto - è uno dei puzzle più sconcertanti della fisica moderna.
In qualche modo, quando l'universo era incredibilmente giovane, quasi tutta l'antimateria scomparve, lasciando solo le cose normali. I teorici hanno perseguitato a lungo la spiegazione sempre inafferrabile - e, ancora più importante, un modo per testare tale spiegazione con esperimenti.
Ora, un trio di teorici ha proposto che un trio di particelle chiamato bosoni di Higgs potrebbe essere responsabile del misterioso atto di fuga dell'antimateria nell'universo. E pensano di sapere come trovare i sospetti colpevoli.
Il caso dell'antimateria mancante
In quasi ogni singola interazione tra particelle subatomiche, l'antimateria (che è identica alla materia normale ma con carica opposta) e la materia normale vengono prodotte in egual misura. Sembra essere una simmetria fondamentale dell'universo. Eppure, quando usciamo e guardiamo lo stesso universo, non vediamo quasi alcuna antimateria. Per quanto ne sanno i fisici, per ogni particella di antimateria ancora in giro, ci sono circa un miliardo di particelle di materia normale, in tutto il cosmo.
Questo mistero ha molti nomi, come il problema della asimmetria della materia e il problema della asimmetria barionica; indipendentemente dal nome, ha fisici sconcertati. Fino ad ora, nessuno è stato in grado di fornire una spiegazione coerente e coerente per il dominio della materia sull'antimateria, e poiché è compito dei fisici spiegare come funziona la natura, sta iniziando a diventare irritante.
Tuttavia, la natura ha lasciato alcuni indizi in giro per noi su cui riflettere. Ad esempio, nessuna prova di molta antimateria si manifesta nel cosiddetto fondo cosmico a microonde: il calore lasciato dal Big Bang, la nascita dell'universo. Ciò suggerisce che il cappero si è verificato nell'universo primordiale. E l'universo primordiale era un posto piuttosto folle, con ogni sorta di fisica complicata e mal compresa in corso. Quindi, se materia e antimateria si divideranno, è un buon momento per farlo.
Colpa di Higgs
In effetti, il momento migliore per la scomparsa dell'antimateria è durante la breve ma tumultuosa epoca del nostro universo quando le forze della natura si stavano spaccando mentre il cosmo si raffreddava.
Ad alte energie (come quelle all'interno di un collettore di particelle), la forza elettromagnetica e la debole forza nucleare uniscono i loro poteri per formare una nuova forza: elettrodebole. Una volta che le cose si raffreddano e ritornano alle normali energie di tutti i giorni, tuttavia, l'elettrroweak si divide nelle due forze familiari.
Ad energie ancora più elevate, come quelle che si trovano nei primi momenti del Big Bang, pensiamo che la forte forza nucleare si fonda con l'elettrodebolo, e ad energie ancora più elevate, la gravità unisce il partito in un'unica forza unificata. Ma non abbiamo ancora capito come entra in gioco la gravità.
Il bosone di Higgs, proposto di esistere negli anni '60 ma non scoperto fino al 2012 all'interno del Large Hadron Collider, svolge il compito di dividere la forza elettromagnetica dalla debole forza nucleare. I fisici sono abbastanza certi che la divisione materia-antimateria avvenne prima che tutte e quattro le forze della natura si mettessero al loro posto come entità proprie; questo perché abbiamo una comprensione abbastanza chiara della fisica dell'universo post-divisione e l'aggiunta di troppa antimateria nelle epoche successive viola le osservazioni del fondo cosmico a microonde).
Come tale, forse il bosone di Higgs ha un ruolo.
Ma l'Higgs da solo non può tagliarlo; non esiste alcun meccanismo noto che utilizza solo gli Higgs per causare uno squilibrio tra materia e antimateria.
Per fortuna, la storia di Higgs potrebbe non essere finita. I fisici hanno trovato un singolo bosone di Higgs in esperimenti di collisione, con una massa di circa 125 miliardi di volt di elettroni, o GeV - per riferimento, un protone pesa circa 1 GeV.
Si scopre che Higgs potrebbe non essere solo.
È del tutto possibile che ci siano più bosoni di Higgs che fluttuano intorno che sono più massicci di quello che possiamo attualmente rilevare nei nostri esperimenti. Al giorno d'oggi, quei più pesanti Higgs, se esistessero, non farebbero molto, non partecipando davvero a nessuna fisica a cui possiamo accedere con i nostri collisori - Non abbiamo abbastanza energia per "attivarli". Ma nei primi tempi dell'universo, quando le energie erano molto, molto più alte, l'altro Higgs avrebbe potuto essere attivato e quegli Higgs avrebbero potuto causare uno squilibrio in alcune interazioni fondamentali delle particelle, portando alla moderna asimmetria tra materia e antimateria.
Risolvere il mistero
In un recente articolo pubblicato online sulla rivista di prestampa arXiv, tre fisici hanno proposto un'interessante soluzione potenziale: forse tre bosoni di Higgs (soprannominati "Troika di Higgs") hanno giocato una partita di patata bollente nell'universo primordiale, generando un'inondazione di materia normale . Quando la materia tocca l'antimateria - Poof - i due annientano e svaniscono.
E così gran parte di quel flusso di materia annichilirebbe l'antimateria, sommergendolo quasi completamente dall'esistenza in un flusso di radiazioni. In questo scenario, rimarrebbe abbastanza materia normale per condurre all'universo attuale che conosciamo e amiamo.
Per fare questo lavoro, i teorici propongono che il trio includa una particella di Higgs conosciuta e due neofiti, con ognuno di questi due con una massa di circa 1.000 GeV. Questo numero è puramente arbitrario, ma è stato appositamente scelto per rendere questo ipotetico Higgs potenzialmente rilevabile con la prossima generazione di collettori di particelle. Inutile prevedere l'esistenza di una particella che non può mai essere rilevata.
I fisici hanno quindi una sfida. Qualunque meccanismo causi l'asimmetria deve dare alla materia un vantaggio sull'antimateria di un fattore da un miliardo a uno. E ha un brevissimo lasso di tempo nell'universo primordiale per fare le sue cose; una volta divise le forze, il gioco è finito e la fisica, come sappiamo, è bloccata sul posto. E questo meccanismo, inclusi i due nuovi Higgs, deve essere testabile.
La risposta breve: sono stati in grado di farlo. È comprensibilmente un processo molto complicato, ma la storia generale (e teorica) va così: I due nuovi Higgs decadono in docce di particelle a velocità leggermente diverse e con preferenze leggermente diverse per la materia rispetto all'antimateria. Queste differenze si accumulano nel tempo e quando la forza elettrodebole si divide, c'è abbastanza differenza nelle popolazioni di particelle materia-antimateria "costruite" nell'universo che la materia normale finisce per dominare sull'antimateria.
Certo, questo risolve il problema dell'asimmetria barionica ma porta immediatamente alla domanda su cosa sta facendo la natura con così tanti bosoni di Higgs. Ma faremo le cose un passo alla volta.
