Dov’è finita l’antimateria? Una risposta dalle onde gravitazionali

Al momento del Big Bang, materia e antimateria erano probabilmente presenti nelle stesse quantità. Dopo un po’ di tempo (relativamente poco) qualcosa è cambiato e la materia ha prevalso sull’antimateria. Per questo l’Universo – e noi – siamo fatti di materia. Da decenni i ricercatori si interrogano su come questo sia avvenuto. Un’ipotesi è che i neutrini, particelle elementari senza carica, abbiano avuto la loro parte e abbiano spinto la materia. Oggi un gruppo internazionale di fisici aggiunge un tassello e spiega che, rilevando particolari onde gravitazionali potremmo riuscire in futuro a provare sperimentalmente questa ipotesi. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.

Materia vs antimateria

All’inizio, al momento del Big Bang, la concentrazione di materia era più o meno la stessa di quella dell’antimateria, come indicato dalle teorie. E, nello scontro fra particelle e antiparticelle (che hanno carica opposta), la materia avrebbe dovuto annichilarsi – ovvero annullarsi – completamente con l’antimateria. Cosa è intervenuto per impedire questa annichilazione totale?

Un’ipotesi abbaastanza accreditata è quella che chiama in causa i neutrini. Dato che possono comportarsi sia come particelle sia come antiparticelle, l’idea è che nei loro decadimenti abbiano favorito le particelle invece che le antiparticelle. E abbiano così portato alla preponderanza della materia sull’antimateria. Che non è scomparsa: l’antimateria è ancora in parte presente, dato che è generata naturalmente in piccolissimi quantitativi in processi astronomici molto energetici e può essere prodotta in laboratorio.

Antimateria e stringhe cosmiche

Ora la domanda è: come si può capire cosa sia realmente avvenuto e come si può dimostrarlo? Gli scienziati ci stanno pensando da tempo e ancora una risposta non c’è. Il team di oggi ha provato a spiegarlo attraverso complessi calcoli di fisica teorica e modelli cosmologici. L’ipotesi è che tutto sia avvenuto durante una particolare transizione di fase, un milione di anni dopo il Big Bang. Questo processo può essere in qualche modo paragonato a un passaggio di stato della materia, come quando l’acqua diventa vapore o ghiaccio.

L’idea è che in questa transizione siano stati prodotti oggetti fisici di difficile descrizione, chiamati stringhe cosmiche, che sono strutture subatomiche ipotetiche, oggetto di studio della teoria delle stringhe. Queste stringhe, a loro volta, avrebbero generato delle particolari onde gravitazionali, finora mai osservate e ancora non rilevabili, a differenza di quelle che derivano da buchi neri o da stelle di neutroni.

Nuove onde gravitazionali

Sarebbero proprio queste onde, secondo gli scienziati, a poter dare prova di come i neutrini abbiano favorito la materia rispetto all’antimateria, un processo che è tuttora un mistero per i fisici. Finora abbiamo rilevato onde gravitazionali da due buchi neri, da due stelle di neutroni e da un buco nero e una stella di neutroni. L’idea di onde gravitazionali da stringhe cosmiche è per ora puramente teorica anche se affascinante, come ha sottolineato Hitoshi Murayama, coautore e docente di fisica all’Università della California a Berkeley. “Sarebbe davvero entusiasmante venire a sapere che esistono”, ha dichiarato l’autore. “Si tratterebbe di una questione finale per la scienza”. Le stringhe sono oggetto di studio dell’omonima teoria, che tenta di unire meccanica quantistica e relatività, da sempre separate, in una teoria del tutto.

Nuove onde, nuovi strumenti

Ma per rilevarle non bastano gli strumenti che abbiamo oggi. A riuscirci, sempre che esistano, potrebbero essere nuovi osservatori internazionali come Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) dell’Agenzia spaziale europea e Decigo (Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory) dell’Agenzia spaziale giapponese Jaxa, entrambi in fase di progettazione.

Riferimenti: Physical Review Letters