Uno dei più grandi misteri del cosmo: chi ha rubato l'antimateria?

Nel precedente articolo di Spazio Curvo avevamo accennato a come la scomparsa dell'antimateria dal nostro Universo ci ponga davanti ad uno dei più grandi misteri ancora irrisolti della fisica. Oggi allora proveremo a fare un passo in avanti e a capire di cosa si tratta.

Innanzitutto ricapitoliamo quanto già sappiamo. L'antimateria esiste (leggi qui), e non è poi così diversa dalla materia: non è governata da strane leggi sconosciute o, come si chiedeva un lettore, dal tempo che scorre all'indietro. Pensate che, grazie al decadimento del potassio di cui è ricca, la banana nel vostro cesto della frutta emette un positrone, l'antiparticella dell'elettrone, ogni ora e un quarto circa. La famosa equazione di Einstein, E = m c^2, inoltre, ci dice che l'energia si può trasformare in massa e viceversa. L'energia è trasportata dai fotoni, il cui secondo nome è infatti "quanti di energia". Essi possono quindi trasformarsi in particelle con massa. La meccanica quantistica gli impone tuttavia di trasformarsi sempre in una coppia di particelle: una particella di materia e la relativa antiparticella, ovvero una particella con la stessa massa ma carica opposta. Se la particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano: cioè scompaiono lasciando posto ai fotoni. In pratica, si tratta del processo contrario a quello descritto prima, entrambi osservati innumerevoli volte in esperimenti come quelli svolti al Cern.

Ora, se particelle ed antiparticelle vengono create sempre in coppia, ci aspettiamo che, nei primi istanti di vita, il nostro Universo sia stato popolato da una ugual numero di particelle ed antiparticelle che, incontrandosi nuovamente, si sono riconvertite in energia. In questo modo la formazione di strutture complesse come atomi e molecole sarebbe molto improbabile. In altre parole, noi non esisteremmo. Eppure siamo qui e sappiamo anche che tutte le strutture complesse che riusciamo ad osservare nell'Universo sono fatte solo di materia. Com’è possibile? Chi ha rubato l’antimateria?

Come detto prima, nessuno lo sa, ma ci sono alcune ipotesi su cui i fisici stanno lavorando. Una possibilità è che in realtà esistono in effetti uguali quantità di materia e antimateria, ma vivono in regioni separate dell'Universo e noi, con tutta la parte di Universo che riusciamo ad osservare, ci troviamo in una regione di sola materia. È la teoria della gravità inversa, secondo la quale la forza gravitazionale tra materia ed antimateria sarebbe repulsiva e questo avrebbe portato al confinamento dell’antimateria in una regione dell'Universo lontana da noi.

Un'altra ipotesi, più conservativa e verificabile, è che esista un meccanismo che nelle condizioni estreme successive al Big Bang abbia favorito leggermente la creazione di materia rispetto all'antimateria, così che per ogni miliardo di antiparticelle sarebbero nate un miliardo e una particelle. Tutte le antiparticelle si sarebbero poi annichilite con le particelle, e le particelle superstiti si sarebbero poi aggregate in atomi, molecole, e così via fino a galassie ed esseri viventi. Ma da dove viene questa asimmetria iniziale? Esistono meccanismi conosciuti che potrebbero spiegarla?

Il Modello Standard, ovvero l'attuale teoria fisica che descrive tutte le particelle conosciute e le loro interazioni ad eccezione della forza di gravità, ammette la presenza di una asimmetria, conosciuta come violazione della simmetria CP. Questa violazione di simmetria fa in modo che la materia si comporti in maniera leggermente diversa dall'antimateria, come confermato sperimentalmente per alcuni tipi di particelle. Quello che ancora non sappiamo è se questa diversità è sufficiente a risolvere l’enigma della scomparsa dell’antimateria. Al momento, diversi laboratori nel mondo stanno cercando di stimare la portata di questi effetti. Per esempio, è di soli quattro giorni fa la notizia, pubblicata su Nature, che i ricercatori della collaborazione T2K in Giappone hanno compiuto un importante passo in avanti nella determinazione della violazione CP per neutrini ed antineutrini. Se dovessimo scoprire che queste differenze non sono sufficienti, allora significherebbe che il Modello Standard è incompleto e deve essere integrato con quello che in gergo chiamiamo "nuova fisica": forse esistono particelle sconosciute che riusciremo a vedere con acceleratori più potenti, o forse abbiamo bisogno di nuove teorie che non riusciamo ancora nemmeno ad immaginare.

Può sembrare, come ogni tanto dice qualche lettore a proposito degli argomenti che trattiamo, che stiamo "parlando del sesso degli angeli" e "di cose che non avranno applicazione prima di mille anni". In realtà, anche se è vero che molte applicazioni di questi oggetti di studio arriveranno solo in futuro, oltre al desiderio di conoscenza in sé, ci sono tante applicazioni dirette o indirette di queste ricerche che già utilizziamo. Torniamo allora con i piedi per Terra.

L'antimateria non solo esiste, ma ha un ruolo chiave in uno strumento di indagine medica: la PET, tomografia ad emissione di positroni. Funziona iniettando al paziente una sostanza normalmente presente nel corpo con funzioni metaboliche (per esempio, uno zucchero), con l'aggiunta di un isotopo radioattivo. Quest'ultimo decade in breve tempo emettendo un positrone. Dopo un breve percorso il positrone incontra un elettrone producendo una coppia di fotoni che viaggiano in direzione opposta e hanno una ben precisa energia. Osservando i due fotoni e misurandone energia, direzione e tempi di arrivo allo scanner della PET, è possibile ricostruire con precisione la posizione in cui la coppia ha avuto origine. La PET ci permette quindi di sapere come la sostanza con funzione metaboliche si distribuisce nel corpo, il che dipende dal funzionamento (o non funzionamento) dei vari tessuti. Viene utilizzata in diversi ambiti tra cui la cardiologia, la neurologia, e, in particolare l’oncologia.

Le cellule tumorali, infatti, hanno un metabolismo alterato, fino a 200 volte maggiore a quello delle cellule sane, che altera la distribuzione delle sostanze metaboliche rilevabile della PET. Se il positrone, e quindi l'antimateria, non esistesse, non avremmo un prezioso strumento per identificare i tumori e osservarne la risposta agli interventi terapeutici.