Gli scienziati si divertono ad esplorare i misteri, e più grande è il mistero, maggiore è l'entusiasmo. Ci sono molte enormi domande senza risposta nella scienza, ma quando stai andando alla grande, è difficile battere "Perché c'è qualcosa, invece di niente?"
Potrebbe sembrare una domanda filosofica, ma è molto suscettibile all'indagine scientifica. Detto in modo un po 'più concreto, "Perché l'universo è fatto del tipo di materia che rende possibile la vita umana in modo che possiamo anche porre questa domanda?" Gli scienziati che hanno condotto ricerche in Giappone hanno annunciato il mese scorso una misurazione che affronta direttamente la più affascinante delle indagini. Sembra che la loro misurazione non sia d'accordo con le aspettative più semplici della teoria attuale e potrebbe puntare verso una risposta a questa domanda senza tempo.
La loro misurazione sembra dire che per un particolare insieme di particelle subatomiche, materia e antimateria agiscono in modo diverso.
Materia v. Antimateria
Usando l'acceleratore J-PARC, situato a Tokai, in Giappone, gli scienziati hanno lanciato un fascio di particelle spettrali subatomiche chiamate neutrini e le loro controparti di antimateria (antineutrini) attraverso la Terra nell'esperimento Super Kamiokande, situato a Kamioka, sempre in Giappone. Questo esperimento, chiamato T2K (Tokai in Kamiokande), è progettato per determinare perché il nostro universo è fatto di materia. Un comportamento peculiare mostrato dai neutrini, chiamato oscillazione dei neutrini, potrebbe far luce su questo problema molto irritante.
Chiedere perché l'universo è fatto di materia potrebbe sembrare una domanda particolare, ma c'è un'ottima ragione per cui gli scienziati ne sono sorpresi. È perché, oltre a conoscere l'esistenza della materia, gli scienziati conoscono anche l'antimateria.
Nel 1928, il fisico britannico Paul Dirac propose l'esistenza dell'antimateria, un fratello antagonista della materia. Combina uguali quantità di materia e antimateria e i due si annichilano a vicenda, provocando il rilascio di un'enorme quantità di energia. E, poiché i principi della fisica di solito funzionano altrettanto bene al contrario, se si dispone di una quantità prodigiosa di energia, può convertirsi in quantità esattamente uguali di materia e antimateria. L'antimateria fu scoperta nel 1932 dall'americano Carl Anderson e i ricercatori hanno avuto quasi un secolo per studiarne le proprietà.
Tuttavia, quella frase "in quantità esattamente uguali" è il punto cruciale dell'enigma. Nei brevi momenti immediatamente successivi al Big Bang, l'universo era pieno di energia. Mentre si espandeva e si raffreddava, quell'energia avrebbe dovuto convertirsi in parti uguali materia e particelle subatomiche di antimateria, che dovrebbero essere osservabili oggi. Eppure il nostro universo consiste essenzialmente interamente di materia. Come può essere?
Contando il numero di atomi nell'universo e confrontandolo con la quantità di energia che vediamo, gli scienziati hanno determinato che "esattamente uguale" non è del tutto corretto. In qualche modo, quando l'universo era circa un decimo di trilionesimo di secondo, le leggi della natura si inclinavano sempre più leggermente nella direzione della materia. Per ogni 3.000.000.000 di particelle di antimateria, c'erano 3.000.000.001 particelle di materia. I 3 miliardi di particelle di materia e i 3 miliardi di particelle di antimateria si sono combinati - e annientati di nuovo in energia, lasciando il leggero eccesso di materia per costituire l'universo che vediamo oggi.
Da quando questo enigma è stato compreso quasi un secolo fa, i ricercatori hanno studiato materia e antimateria per vedere se potevano trovare un comportamento nelle particelle subatomiche che spiegherebbe l'eccesso di materia. Sono fiduciosi che la materia e l'antimateria siano prodotti in quantità uguali, ma hanno anche osservato che una classe di particelle subatomiche chiamate quark presentano comportamenti che favoriscono leggermente la materia rispetto all'antimateria. Quella misurazione particolare era sottile, coinvolgendo una classe di particelle chiamate mesoni K che possono convertirsi dalla materia in antimateria e viceversa. Ma c'è una leggera differenza nella materia che si converte in antimateria rispetto al contrario. Questo fenomeno è stato inaspettato e la sua scoperta ha portato al premio Nobel del 1980, ma l'entità dell'effetto non è stata sufficiente per spiegare perché la materia domina nel nostro universo.
Travi spettrali
Pertanto, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione ai neutrini, per vedere se il loro comportamento può spiegare la questione in eccesso. I neutrini sono i fantasmi del mondo subatomico. Interagendo solo attraverso la debole forza nucleare, possono passare attraverso la materia senza interagire quasi per niente. Per dare un senso di scala, i neutrini sono più comunemente creati nelle reazioni nucleari e il più grande reattore nucleare intorno è il Sole. Proteggere se stessi dalla metà dei neutrini solari richiederebbe una massa di piombo solido circa 5 anni luce di profondità. I neutrini non interagiscono molto.
Tra il 1998 e il 2001, una serie di esperimenti - uno che utilizzava il rilevatore Super Kamiokande e un altro che utilizzava il rivelatore SNO a Sudbury, in Ontario - dimostrò definitivamente che anche i neutrini mostrano un altro comportamento sorprendente. Cambiano la loro identità.
I fisici conoscono tre distinti tipi di neutrini, ciascuno associato a un fratello subatomico unico, chiamato elettroni, muoni e taus. Gli elettroni sono ciò che causa l'elettricità e le particelle di muone e tau sono molto simili agli elettroni, ma più pesanti e instabili.
I tre tipi di neutrini, chiamati elettrone neutrino, muone neutrino e tau neutrino, possono "trasformarsi" in altri tipi di neutrini e viceversa. Questo comportamento si chiama oscillazione del neutrino.
L'oscillazione del neutrino è un fenomeno unicamente quantico, ma è quasi analogo a iniziare con una ciotola di gelato alla vaniglia e, dopo che vai a trovare un cucchiaio, torni a scoprire che la ciotola è metà vaniglia e metà cioccolato. I neutrini cambiano la loro identità dall'essere interamente un tipo, a un mix di tipi, a un tipo completamente diverso, e quindi di nuovo al tipo originale.
Oscillazioni dell'antineutrino
I neutrini sono particelle di materia, ma esistono anche neutrini di antimateria, chiamati antineutrini. E questo porta a una domanda molto importante. I neutrini oscillano, ma anche gli antineutrini oscillano e oscillano esattamente allo stesso modo dei neutrini? La risposta alla prima domanda è sì, mentre la risposta alla seconda non è nota.
Consideriamo questo in modo un po 'più completo, ma in modo semplificato: supponiamo che esistessero solo due tipi di neutrini: muone ed elettrone. Supponi inoltre di avere un raggio di neutrini di tipo puramente muonico. I neutrini oscillano a una velocità specifica e, poiché si avvicinano alla velocità della luce, oscillano in funzione della distanza da dove sono stati creati. Pertanto, un raggio di neutrini di muoni puri apparirà come un mix di tipi di muoni ed elettroni a una certa distanza, quindi tipi di elettroni puramente a un'altra distanza e poi di nuovo solo al muone. I neutrini dell'antimateria fanno la stessa cosa.
Tuttavia, se i neutrini della materia e dell'antimateria oscillano a velocità leggermente diverse, ti aspetteresti che se tu fossi a una distanza fissa dal punto in cui sono stati creati un fascio di neutrini o antineutroni muonici puri, nel caso del neutrino vedresti una miscela di neutrini di muoni ed elettroni, ma nel caso dei neutrini di antimateria, vedresti una diversa miscela di neutroni di muoni di antimateria e neutrini di elettroni. La situazione attuale è complicata dal fatto che esistono tre tipi di neutrini e l'oscillazione dipende dall'energia del raggio, ma queste sono le grandi idee.
L'osservazione di diverse frequenze di oscillazione da parte di neutrini e antineutrini sarebbe un passo importante verso la comprensione del fatto che l'universo è fatto di materia. Non è l'intera storia, perché anche nuovi fenomeni aggiuntivi devono contenere, ma la differenza tra neutrini di materia e antimateria è necessaria per spiegare perché c'è più materia nell'universo.
Nell'attuale teoria prevalente che descrive le interazioni dei neutrini, esiste una variabile sensibile alla possibilità che i neutrini e gli antineutrini oscillino diversamente. Se quella variabile è zero, i due tipi di particelle oscillano a velocità identiche; se quella variabile differisce da zero, i due tipi di particelle oscillano in modo diverso.
Quando T2K ha misurato questa variabile, hanno scoperto che era incoerente con l'ipotesi che i neutrini e gli antineutrini oscillassero in modo identico. Un po 'più tecnicamente, hanno determinato un intervallo di valori possibili per questa variabile. Esiste una probabilità del 95 percento che il valore reale per quella variabile sia compreso in quell'intervallo e solo una probabilità del 5 percento che la variabile vera sia al di fuori di tale intervallo. L'ipotesi "nessuna differenza" è al di fuori dell'intervallo del 95 percento.
In termini più semplici, l'attuale misurazione suggerisce che i neutrini e i neutrini antimateria oscillano in modo diverso, anche se la certezza non sale al livello per fare un'affermazione definitiva. In effetti, i critici sottolineano che le misurazioni con questo livello di significatività statistica devono essere considerate molto, molto scettiche. Ma è certamente un risultato iniziale enormemente provocatorio e la comunità scientifica mondiale è estremamente interessata a vedere studi migliorati e più precisi.
L'esperimento T2K continuerà a registrare ulteriori dati nella speranza di effettuare una misurazione definitiva, ma non è l'unico gioco in città. Al Fermilab, situato fuori Chicago, un esperimento simile chiamato NOVA sta sparando sia neutrini che neutrini antimateria nel nord del Minnesota, sperando di battere T2K al massimo. E, guardando più al futuro, Fermilab sta lavorando duramente a quello che sarà il suo esperimento di punta, chiamato DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), che avrà capacità di gran lunga superiori per studiare questo importante fenomeno.
Mentre il risultato T2K non è definitivo e la cautela è giustificata, è certamente allettante. Data l'enormità della domanda sul perché il nostro universo sembra non avere antimateria apprezzabile, la comunità scientifica mondiale attenderà avidamente ulteriori aggiornamenti.
