Materia e antimateria

La 'danza' delle particelle

di Emanuela Gialli

Si trasformano continuamente nelle loro antiparticelle. Ma a un certo punto il sistema non funziona più e l’antimateria scompare. Perché? La risposta in un Modello Standard che anche il recente risultato ottenuto nell’Acceleratore del Cern di Ginevra ha dimostrato essere ancora valido. “Sappiamo però che arriva il momento in cui fallisce. Stiamo studiando il motivo di questo fallimento”, dice a Televideo il responsabile nazionale del progetto “LHCb” del Cern di Ginevra, Umberto Marconi.

Decadimento. E’ un termine cui di solito viene attribuito un significato negativo. Letteralmente, vuol dire “cadere da”, uno stato, una condizione, una composizione chimica, a un altro o un’altra. Forse sarebbe meglio parlare di trasformazione di qualcosa che esiste in natura in qualcosa di diverso. Chissà se studiosi e ricercatori di “Fisica delle particelle” sono d’accordo. Volgarizzare, nel senso di avvicinare alla lingua del “volgo”, quella corrente, i risultati di esperimenti scientifici, anche piuttosto avanzati, non è affatto semplice. Soprattutto non è semplice catturare l’attenzione di chi legge e/o ascolta “cronache” della e dalla scienza. Ma forse il segreto è proprio qui, nel riuscire cioè a “raccontare” fatti, apparentemente così lontani dallo scorrere della vita quotidiana.

Decadimento, allora. In natura è un fenomeno molto conosciuto e approfondito dagli scienziati, dai fisici. Perché? Perché questo “processo chimico naturale” può spiegare in che modo, dopo il Big Bang, la grande esplosione che ha dato origine al mondo, tra materia e antimateria, inizialmente presenti in egual misura al 50%, si è creata una “asimmetria” tale da determinare la scomparsa dell’antimateria, “annichilimento”, dunque la prevalenza della prima sulla seconda.

Esiste un Modello Standard nella Fisica in base al quale alcune particelle, dopo miliardi di decadimenti, cioè dopo che per miliardi di volte hanno prodotto la propria “antiparticella”, alla fine non la generano più.

Al CERN di Ginevra, coacervo di menti sopraffine, appartenenti alle più disparate nazionalità, stanno verificando se questo Modello è ancora valido o se è superato. Qualche giorno fa lo scienziato italiano Pierluigi Campana, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, ha annunciato il risultato della misura relativa al “decadimento delle particelle chiamate ‘Mesoni Bs’ in muoni”. I Mesoni contengono “quark” e anti-quark”. A Televideo il responsabile per l’Italia del progetto “LHCb-Large Hedron Collider beauty”, Umberto Marconi, spiega l’importanza del risultato registrato.

Innanzitutto cosa è stato provato, dottor Marconi?
Che il “Modello Standard” è ancora valido, anche se ci rendiamo conto che esiste la necessità di superarlo, per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria, dopo il Big Bang, che ha fatto prevalere quella forma che noi attualmente conosciamo, la materia appunto. Noi dunque stiamo mettendo a dura prova questo modello, andando a studiare i processi di decadimento più rari, come ad esempio il decadimento della particella “mesone b”, costituito da quark pesanti, beauty e strange, in particelle più leggere, che si chiamano “le p toni”, che, secondo la teoria del “Modello Standard”, avverrebbe 3 volte su un miliardo, con una precisione del 10%. Vale a dire, le particelle decadono in diversi modi , ma solo 3 volte su un miliardo decadono in questo.

Decadimento vuol dire “morte” di una particella, dottor Marconi?
Beh, sì. Ma quando parliamo di morte, facciamo riferimento a processi che confermano l’energia.

Quindi l’energia resta immutata?
Sì, sempre, certo. Nella morte delle particelle elementari c’è la perfetta conservazione di tutte le leggi fisiche, dell’energia, della quantità di moto, cioè della velocità per la massa trasportata.

E parliamo di quella stessa “morte” dell’antimateria che è intervenuta dopo il Big Bang?
Sì, praticamente dopo la grande esplosione l’antimateria è scomparsa.

E attraverso lo studio delle particelle, di cui per lo più è composta la materia, si può risalire a quanto è successo in quel momento?
Noi stiamo studiando la trasformazione di una materia che non esiste ordinariamente. Nell’Acceleratore, l’LHC, le collisioni tra protoni ad altissima energia, nell’ordine di milionesimi di miliardesimo di metro, permettono di riprodurre localmente le condizioni che ipotizziamo siano esistite dopo il Big Bang.

Però nell’LHC non potete mettere materia e antimateria insieme perché questa non è riproducibile?
No, invece, questo di solito lo facciamo, l’antimateria la possiamo produrre. In questo caso, nell’LHC usiamo due fasci di materia, protone e protone. Nella loro collisione ad altissima energia si liberano enormi quantità di energia che permettono di generare dal vuoto particelle di materia e antimateria, che vivono per tempi brevissimi, per millesimi di miliardesimo di secondo.

E come fate a studiarle?
Perché esplodendo, c’è un effetto legato alla Relatività, noto come effetto di dilatazione del tempo, in base al quale una particella molto veloce vive più a lungo rispetto al caso in cui fosse ferma. Per esempio, il Mesone b vive un millesimo di miliardesimo di secondo, ma grazie all’alta velocità riesce in media a percorrere la distanza di un centimetro prima di esplodere.

E in quel centimetro viene immortalata.
Sì, noi facciamo delle foto e stabiliamo se le sue proprietà di vita e di morte rispondono a quelle della sua particella gemella costituita di antimateria, cioè di antiquark. E riusciamo a vedere se la materia e l’antimateria si comportano in modo uguale o diverso.

Sempre risalendo al Big Bang.
C’è una definizione dovuta al genio di Renzo Arbore, il “Brodo Primordiale”, che indica proprio il Big Bang.

Che dà un po’ il senso delle alte temperature, dell’alta energia.
Un insieme, caldo, di particelle e mediatori delle interazioni, quark, muoni, fotoni. Tra l’altro queste particelle si esibiscono in una strana “danza”, si trasformano cioè continuamente nelle loro antiparticelle. E noi studiamo questa danza, analizziamo le varie trasformazioni. Però a un certo punto questo sistema non è più in grado di resistere, i quark che costituiscono queste particelle esplodono, e queste assumono una forma diversa. Studiando la rapidità di trasformazione della materia nell’antimateria e il decadimento di entrambe, cerchiamo di capire le ragioni profonde della differenza tra loro.

Ritornando al Modello Standard, è dunque giusto o sbagliato?
In questi anni, altri esperimenti hanno indicato la possibilità di fallimento del modello. In realtà funziona ottimamente e lo spazio per eventuali correzioni si fa sempre più piccolo. Questo non vuol dire che non ci saranno correzioni. Il problema è che si è un po’ troppo abituati ai tempi della società dello spettacolo, tempi cioè scanditi dalla necessità di fornire rapidamente colpi di scena. E invece il processo è molto lento.

Dunque a quest’ultimo risultato che dimostrerebbe la validità del Modello Standard devono seguire verifiche, altri passi.
Sì. Ad oggi non ci sono risultati che dimostrano l’inadeguatezza del Modello Standard. Però sappiamo che a un certo punto deve fallire, ma per ora non siamo riusciti a “romperlo”.

Ancora studio e studio dunque. Umberto Marconi chiude l’intervista con una considerazione: “Materia e antimateria erano uguali, come caratteristiche: perché una delle due è scomparsa? Questa è la domanda di fondo. E noi stiamo investigando, stiamo cercando di capirlo. Finché ci danno i soldi per farlo”.