​Una nuova misura effettuata in Giappone scopre una asimmetria nell’etereo mondo dei neutrini

Uno dei problemi aperti della fisica moderna riguarda il perché il nostro universo sia costituito di materia e non di antimateria. Particelle e antiparticelle sono infatti identiche, a parte alcune proprietà che sono opposte, come la carica elettrica. Ad esempio l’antiparticella dell’elettrone, che ha carica negativa è il positrone, che ha carica positiva. Anche i fratelli maggiori dell’elettrone, il muone ed il tau, hanno le loro antiparticelle per un totale di sei leptoni(1), tutti  descritti a coppie dall’equazione di Dirac. Analogamente l’antiparticella del protone, di carica positiva e formato da tre quark, è l’antiprotone, di carica negativa e formato da tre antiquark. Non è  però solo la carica elettrica a definire se una particella sia di materia o antimateria ma vi sono altre caratteristiche, o numeri quantici, meno evidenti. Esistono infatti antipaticelle anche di particelle senza carica: ad esempio il neutrone, presente nei nuclei atomici e dotato di carica elettrica nulla ha come controparte l’antineutrone, a sua volta fromato da tre antiquark. Anche ai  tre tipi di neutrini, anch’essi con carica elettrica nulla, corrispondono tre tipi di antineutrini, anche loro a carica zero. L’universo ci fornisce tre modelli di neutrini, ognuno dei quali ha massa leggermente diversa dagli altri, ciascuno corrispondente a una delle tre classi di leptoni: elettrone, muone e tau (perché siano tre e perchè anche le famiglie di quark siano tre è un altro immenso mistero di cui abbiamo parlato nella live della puntata 300).

Dall’energia si può produrre materia e antimateria in parti uguali: ad esempio due fotoni che collidono possono produrre un elettrone e un positrone o un protone e un antiprotone a seconda dell’energia che hanno.

Perché allora dall’immensa quantità di energia liberata nel Big Bang ci siamo ritrovati con un universo dotato quasi esclusivamente di materia? Dov’è finita l’antimateria? O meglio perché è stata prodotta più materia che antimateria, lasciandoci un universo dominato – nella parte visibile – dalla radiazione e dalla materia? Perchè in natura  abbiamo antimateria solo in quantità esigue sotto forma di raggi cosmici?

Andrei Sakharov postulò tre condizioni perché ciò potesse avvenire nei primi istanti di vita dell’universo:

1. Violazione del numero barionico (processo completamente sconosciuto e mai osservato)
   2. Espansione rapida dell’universo (probabilmente verificatosi nel periodo inflazionario, nei primi istanti dopo il Big Bang)
   3. Comportamento diverso tra materia e antimateria, detto anche violazione di CP (Charge and Parity).

La terza condizione è stata osservata nel 1964 nei decadimenti di alcune particelle dette Kaoni, ma le differenze di comportamento sono dell’ordine dello 0.3%, troppo piccole per soddisfare completamente la condizione posta dal grande scienziato russo per ottenere lo scenario cosmologico che ci circonda.

In questi giorni si è aggiunto però un altro importante tassello in questa faticosa ricerca. La collaborazione T2K (Tokai to Kamioka) ha infatti pubblicato su Nature l’osservazione di un differente comportamento tra i neutrini e gli antineutrini.  Nei loro 295 km di cammino dal luogo di produzione (il laboratorio J-PARC a Tokai-mura, in Giappone) al rivelatore SuperKamiokande, infatti, i neutrini si trasformano da un tipo all’altro, con una probabilità che dipende dal tipo di neutrino di partenza, quello  di arrivo, la distanza percorsa, l’energia e la materia attraversata. L“’oscillazione“ da un tipo di neutrino ad un altro fu notata per primo dall’esperimento Homestake, guidato da Raymond Davis, che osservò che i neutrini di tipo elettronico provenienti dal sole erano meno di quelli aspettati. Ovviamente nessuno gli credette per decenni (dagli all’eretico!) fino a che l’evidenza sperimentale fu talmente forte da costringere ad ammettere l’eresia come canone. Da allora le probabilità di oscillazione   stanno venendo faticosamente misurate per fare luce sulle proprietà di queste particelle.

È però la prima volta che viene misurato che le probabilità di oscillazione sono diverse se si ha a che fare con  neutrini o antineutrini. La misura è stata fatta producendo all’acceleratore J-PARC sia neutrini che antineutrini muonici e contando quanti di essi si trasformavano in neutrini e antineutrini elettronici nel rivelatore di Kamiokande. Data la loro elusiva natura, solo una manciata di queste particelle interagisce con il rivelatore, pertanto la misura ha richiesto anni per poter raggiungere una significatività sufficiente da escludere ragionevolmente la fluttuazione statistica.  La misura è dunque rivoluzionaria e sarà senz’altro approfondita nei prossimi anni, sia per determinare con precisione l’entità della oscillazione che per confermarla ulteriormente (c’è ancora uno 0.3% di probabilità che la misura sia il frutto del caso e del destino cinico e baro). Il futuro ci dirà dunque se abbiamo fatto un primo passo nel soddisfare le condizioni di Sakharov e comprendere dove sia finita l’antimateria (3).

Note:

1. Si definiscono leptoni quelle particelle che non interagiscono secondo la forza forte. Sono 6 particelle e 6 antiparticelle, tre cariche (elettrone, mu, tau) e tre neutre (neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tauonico)
2. Il protone, circa 2000 volte più pesante dell’elettrone, è composto da due quark detti ‘up’ (ma il nome e’ solo un’etichetta) con carica elettrica  +⅔ e un quark ‘down’ con carica -⅓ per una carica elettrica totale di 1. L’antiprotone ha due antiquark up con carica elettrica -⅔ e un antiquark ‘down’  con carica +⅓ per una carica elettrica totale di -1. Il neutrone ha due quark down e uno up (-1/3   -1/3 +2/3 =0 ) e l’antineutrone due antiquark down e uno up (1/3 1/3 -2/3 = sempre 0 )
3. Bonus Quiz::

Immagine di copertina: magneti superconduttori montanti a J-PARC, Tokai-mura, Giappone. In questi magneti scorre un fascio di protoni utilizzati per produrre i neutrini verso Super Kamiokande.