Da oltre settanta anni, la comunità scientifica si interroga su una delle questioni più profonde della fisica moderna: perché l’universo contiene molta più materia rispetto all’antimateria? Un enigma che affonda le radici nei primi istanti dopo il Big Bang, e la cui soluzione potrebbe celarsi nel comportamento misterioso di alcune particelle subatomiche, in particolare i quark beauty, studiati al Large Hadron Collider del CERN, situato nei pressi di Ginevra.
Recentemente, grazie a una serie di osservazioni condotte dall’esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty), sono stati identificati nuovi segnali di quella che viene definita violazione della simmetria CP (carica-parità), un fenomeno che potrebbe spiegare l’attuale predominanza della materia sull’antimateria nell’universo.
Un universo asimmetrico: il problema fondamentale della cosmologia moderna
L’universo che conosciamo è composto quasi interamente da materia. L’antimateria, la controparte speculare di ogni particella ordinaria, sembra essere quasi del tutto assente. Eppure, secondo le leggi fondamentali della fisica, in particolare il Modello Standard, durante la creazione dell’universo materia e antimateria avrebbero dovuto emergere in quantità perfettamente bilanciate. Se ciò fosse realmente accaduto, le particelle e le loro antiparticelle si sarebbero immediatamente annichilate, lasciando un universo vuoto, privo di stelle, pianeti e vita.
Per questo motivo, da decenni gli scienziati cercano le cause profonde di questa asimmetria cosmica, ipotizzando l’esistenza di meccanismi che abbiano favorito, anche se di poco, la sopravvivenza della materia rispetto all’antimateria.
Il contributo fondamentale dei mesoni beauty alle violazioni della simmetria
Gli esperimenti condotti al Large Hadron Collider tra il 2011 e il 2012, durante i quali protoni sono stati fatti collidere a energie elevatissime, hanno permesso di produrre in laboratorio numerose particelle instabili, tra cui i mesoni beauty. Questi ultimi sono costituiti da un quark beauty (b) e un antiquark di altro tipo, ad esempio up, down, strange oppure charm.
I mesoni, in quanto combinazioni di quark e antiquark, decadono molto rapidamente in altre particelle. La loro instabilità rappresenta un’opportunità unica per osservare eventuali violazioni della simmetria CP. In condizioni perfettamente simmetriche, i tassi di decadimento dei mesoni contenenti quark beauty dovrebbero coincidere con quelli delle loro controparti contenenti antiquark beauty. Tuttavia, gli studi effettuati dal team dell’LHCb hanno rilevato differenze significative tra questi tassi.
In particolare, è stato osservato che il decadimento dell’antimateria avviene a un ritmo più rapido rispetto a quello della materia, un indizio cruciale che conferma una rottura della simmetria CP. Questo tipo di asimmetria, sebbene ancora insufficiente a spiegare completamente l’enorme squilibrio che caratterizza l’universo, rappresenta un passo avanti fondamentale nella comprensione delle dinamiche che hanno favorito la materia rispetto all’antimateria.
La scoperta nei barioni beauty: una conferma sperimentale attesa da decenni
Oltre ai mesoni, l’analisi si è estesa ai barioni beauty, particelle formate da tre quark, di cui almeno uno deve essere un quark beauty. Anche questi barioni sono soggetti a decadimento, trasformandosi in un altro barione e in due mesoni K carichi.
Fino ad ora, il Modello Standard aveva previsto che anche nei barioni beauty si sarebbe dovuta osservare una violazione della simmetria CP, ma mancavano prove sperimentali. Gli ultimi risultati dell’LHCb hanno invece mostrato per la prima volta differenze nei tassi di decadimento tra barioni contenenti un quark beauty e quelli con un antiquark beauty. Si tratta di un risultato di grande importanza, che non solo conferma le previsioni teoriche, ma apre anche la strada a nuove ipotesi sull’origine della materia nell’universo.
I ricercatori hanno tentato di verificare se esistessero fasi intermedie nei processi di decadimento che potessero giustificare l’asimmetria osservata, ma senza trovare alcuna spiegazione alternativa. Questa osservazione rafforza ulteriormente l’idea che le violazioni della simmetria CP nei barioni beauty abbiano un ruolo diretto nello spiegare l’asimmetria cosmica.
Due studi pionieristici pubblicati e sottoposti a revisione
Le scoperte riguardanti i mesoni e i barioni beauty sono state presentate in due studi distinti. Il primo è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, mentre il secondo è attualmente disponibile come preprint ed è in fase di revisione per una futura pubblicazione scientifica.
Entrambi i lavori rappresentano un avanzamento cruciale nella comprensione delle leggi fondamentali della fisica delle particelle e potrebbero offrire, in futuro, una spiegazione definitiva al grande mistero cosmologico dell’asimmetria tra materia e antimateria.
Le indagini proseguiranno nei prossimi anni, con nuovi esperimenti ad alta energia previsti al Large Hadron Collider, nella speranza di raccogliere ulteriori prove sperimentali e di avvicinarsi sempre di più alla comprensione del nostro universo.
