Agli albori del Big Bang avvenne uno scontro che determinò la nascita dell’universo per come lo conosciamo: quello fra materia e antimateria. Ma che succede se le due cose si scontrano? Proviamo a capirlo.

Ogni cosa intorno a noi è fatta di materia. La fisica quantistica, però, ci insegna che per ogni particella di materia, ne esiste un’altra (simmetrica) dotata di uguale massa, ma con carica elettrica opposta. È la cosiddetta antimateria. Ma di cosa si tratta esattamente?

In linea generale, la distinzione che gli scienziati fanno tra materia e antimateria è puramente convenzionale. Ad ogni particella corrisponderebbe un’antiparticella. Esempi noti possono essere l’elettrone, che ha come antiparticella il positrone, di carica positiva. Il protone ha l’antiprotone, e così via.

Queste antiparticelle verrebbero prodotte da un urto tra due particelle ad alta energia. In tal caso, una parte di questa energia verrebbe convertita in materia e antimateria. Ed è proprio quello che avvenne qualche miliardesimo di secondo dopo il Big Bang.

materia e antimateria
Una rappresentazione artistica dello scontro fra materia e antimateria avvenuto pochissimi istanti dopo il Big Bang. Credit: pixabay

Cosa succede se l’antimateria tocca la materia?

Quando parliamo di origine dell’universo viene subito in mente lo scontro fra titani avvenuto nei primissimi istanti del Big Bang. Se la materia non avesse avuto la meglio sull’antimateria non saremmo qui a parlarne. Ma facciamo un passo indietro. Cosa intendiamo per materia? Sappiamo che protoni e neutroni si trovano nel nucleo degli atomi, tenuti insieme da una delle quattro forze fondamentali della natura: l’interazione nucleare forte.

Allo stato elementare gli atomi sono neutri, sono i protoni e gli elettroni ad essere per convenzione provvisti di carica positiva e negativa. L’interazione fra atomi comporta un continuo scambio di elettroni, che ogni elemento tende a cedere o acquistare a seconda delle sue proprietà. È così che l’atomo acquisisce una carica di segno positivo o negativo ed è proprio grazie a questo scambio che si combinano atomi con altri atomi, dando origine alla materia per come la conosciamo.

Ma come sappiamo che per ogni particella di materia ne esiste una di antimateria, con antiatomi, etc? Vi sembrerà paradossale, ma la definizione di antimateria arriva proprio dal fenomeno di annichilazione (annullamento) che scaturisce dallo scontro fra particelle e antiparticelle. L’unica traccia lasciata dalla loro interazione è un’enorme emissione di energia. Questo spiega anche quanto sia difficile osservare particelle di antimateria, dato che al solo contatto con la materia si annullano a vicenda. Ma torniamo al nostro Big Bang.

Cosa è successo durante il Big Bang

Ma perché alle origini dell’universo prevalse la materia? Durante un esperimento alcuni fisici sono riusciti a dimostrare che gli antineutrini, rispetto ai neutrini, si trasformano da una tipologia all’altra secondo un fenomeno chiamato oscillazione e teorizzato dal fisico italiano Bruno Pontecorvo negli anni ’50. I neutrini sono particelle sfuggenti. D’altronde ogni secondo circa 60 miliardi attraversano il nostro corpo senza lasciare traccia. Occorrono esperimenti in acceleratori di particelle (come il Cern) per studiarli.

Ebbene, nell’esperimento un fascio di neutrini prodotto dall’acceleratore di particelle di Tokai, in Giappone, è stato inviato a 295 km sotto terra per osservarne le interazioni con 50mila tonnellate di acqua. Ebbene, durante il tragitto gli antineutrini si sono trasformati da un tipo all’altro, oscillando da muonici in elettronici.

Uno dei misteri della fisica è capire perché sia venuta meno la simmetria originale che c’era fra materia e antimateria dopo il Big Bang. Perché, ad esempio, non vediamo l’antimateria? Gli scienziati sostengono che ne sia rimasta una quantità infinitesimale nell’universo, dopo che le particelle di materia (ne bastava una in più, rispetto a quelle di antimateria) ebbero la meglio su quest’ultima nei primissimi istanti dell’universo. Non c’è dubbio che serviranno ulteriori studi per dare una risposta definitiva al problema dell’antimateria mancante, nell’universo.

Riferimenti:

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