0060. Come fanno i fisici a dire che nell'universo non c’è antimateria?

 Sul vostro sito avete scritto che, nell'universo, c'è più materia che antimateria. Come fanno i moderni fisici a provarlo? Non è forse possibile che l'antimateria sia presente nelle zone dello spazio ancora inesplorate da noi? Inoltre, se quando la materia e l'antimateria vengono in contatto si annichilano entrambe le sostanze, non dovrebbero essere presenti nelle stesse quantità nello spazio? (Luca Cernuschi)

According to the theory of special relativity, any form of energy can become mass, but distributed over equal amounts of matter and antimatter. Of the total energy of the universe, maybe 4% is matter, as we understand it. And that is just barely enough for galaxies, stars and planets to be born. So if matter came from energy, there should be equal amounts of antimatter. If there was antimatter here, around us, it would annihilate with matter and we would see light coming out. But we don't... That is not the only evidence. Searches in space do not find antimatter, especially they do not find anti nuclei. Helium is very abundant in the universe but anti-helium is not found in our neighborhood. Hydrogen nuclei travel across the whole universe to make cosmic rays in the upper atmosphere of the earth. Anti helium does not. More experiments are needed and are under way, like AMS, with Italian participation. It is some times speculated that very early in the ‘big bang,’ matter and antimatter became segregated into ‘non-overlapping domains’, suggesting that there would be some domains of space totally composed of matter and others totally of antimatter. The laws of gravitation and relativity insure that at the boundary of the domains it would be impossible to avoid matter-antimatter annihilation: Cohen, De Rújula and Glashow . Thus we would necessarily see light. Searching the universe, astrophysicists fail to detect any signal. They conclude: ‘On general grounds, a matter-antimatter symmetric universe today is empirically excluded.’ The big remaining question is how did the universe change from a matter-antimatter symmetric state to a matter dominated condition. Particle physics is essential to many of the points above and even more directly becomes involved at this point. The matter asymmetry in the universe requires in particular violation of the CP symmetry, Andrei Sakharov. This refers to the fact that the natural laws for two systems which are mirror images of each other with in addition positive charge changed to negative, as well as another half dozen more esoteric charges. Fitch and Cronin , as an incredibly minute effect, first observed violation of this symmetry in the laboratory in 1964. CP is still being studied, among other places at the Laboratori Nazionali di Frascati of the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. What has become clear in the last few years is that the observed violation of CP-symmetry is much too small to account for the Universe matter-antimatter asymmetry. Discrepancies like this are welcome, they indicate that we do not understand everything and we should study more deeply the problem.

Paolo Franzini - Fisico

Traduzione a cura della redazione SxT.

La teoria della relatività speciale ci dice che ogni forma di energia si può trasformare in massa purché in eguali quantità di materia e antimateria. Sappiamo che circa il 4% dell’energia totale dell’universo è rappresentata da materia: galassie, stelle, pianeti. Se la materia deriva dall’energia dovrebbe esserci nell’Universo una quantità di antimateria pari a quella della materia. Materia e antimateria quando entrano in contatto si annichilano emettendo luce. Ma noi non osserviamo nello spazio alcun segnale di questo processo di annichilazione [5] .Questa non è l’unica evidenza di assenza dell’ antimateria. Ricerche nello spazio per cercare antimateria non hanno dato risultati positivi. Non sono stati trovati antinuclei. Mentre i nuclei di elio, ad esempio, sono molto abbondanti. Nello spazio non c’è traccia di nuclei di antielio nelle vicinanze della Terra. I nuclei di idrogeno arrivano dalle profondità dello spazio sulla Terra dando origine, con la loro interazione sui nuclei dell’atmosfera, ai raggi cosmici. Gli antinuclei se esistessero, anche molto lontani da noi, dovrebbero giungere nelle nostre vicinanze. Ma non cè alcuna traccia di nuclei di antielio. Molte ricerche sono in corso, anche con la partecipazione di fisici italiani , per cercare con sempre maggiore sensibilità l’antimateria. Si è anche ipotizzato che, subito dopo il “big bang”, materia e antimateria si siano separate in regioni distinte dell’universo: esisterebbe così una regione totalmente composta di materia e un’altra totalmente composta di antimateria. Questa ipotesi è stata studiata dai fisici Cohen , De Rújula e Glashow . Essi hanno dimostrato che le leggi della gravitazione e della relatività imporrebbero comunque l’avvenire di processi di annichilazione nelle regioni di confine con emissione di segnali luminosi che sarebbero facilmente rivelati dai nostri osservatori sulla terra o nello spazio. Essi concludono: “Allo stato di conoscenza attuale, un universo con simmetria materia-antimateria è escluso”. Resta la domanda di come l’universo, creato perfettamente simmetrico al momento del “big bang”, si sia evoluto verso la forma attuale in cui la materia domina totalmente. La fisica delle particelle gioca un ruolo decisivo nella comprensione di questo aspetto dell’evoluzione dell’Universo. I fisici hanno sempre ritenuto che le leggi della natura che governano le interazioni delle particelle elementari siano simmetriche quando si cambia una particella in una antiparticella. Ma, come affermava Andrei Sakharov , “L' asimmetria materia-antimateria nell’Universo richiede la esistenza di un processo che violi la simmetria di CP ”. Fitch a Cronin nel 1964 per primi osservarono un piccolissimo effetto che metteva in evidenza una violazione di questa simmetria. Ancora oggi gli studi su questo effetto impegnano gruppi di scienziati in molti laboratori di ricerca nel mondo, tra i quali i Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Quello che le ricerche più recenti hanno fatto capire è che la variazione di simmetria osservata da Fitch e Cronin è troppo piccola per giustificare l’asimmetria materia-antimateria osservata nell’Universo. Questo ci indica che c’è ancora molto da capire e ci spinge a nuove, più avanzate, ricerche.

Paolo Franzini - Fisico