I parametri del Modello Standard. Sesta puntata: materia, antimateria e annichilazione

Nelle puntate precedenti abbiamo giocato con i parametri che controllano i valori delle masse dei fermioni. Abbiamo reso l'elettrone usuale al muone, oppure appesantito un po' il quark down rispetto al quark up. Gli universi alternativi che corrispondono a un Modello Standard con questi cambiamenti sono molto diversi da quello in cui ci troviamo a vivere.

Qualcuno si è giustamente chiesto: non è che i parametri del Modello Standard sono stati "scelti" (dal caso, o persino da un'autorità superiore) apposta per generare proprio l'universo in cui ci troviamo? È una domanda lecita, che si pongono anche i fisici. Per tentare una risposta, o almeno passare in rassegna quelle che sono state formulate, dovremmo parlare di teorie degli universi multipli, e di principio antropico. Lo faremo, ma solo alla fine della serie. Prima spenderemo ancora qualche puntata giocando con i parametri del Modello Standard, per metterne in evidenza altre limitazioni che pongono domande piuttosto interessanti.

Con le masse dei fermioni potremmo continuare a giocare. Potremmo per esempio rendere le masse di tutti i componenti della prima famiglia (elettrone, neutrino elettronico, quark up e down) usuali a quelle delle particelle corrpispondenti della seconda familia (muone, neutrino muonico, quark charm e strange). L'elettrone sarebbe allora uguale al muone, come già in una precedente puntata, ma avremmo anche il quark up uguale al quark charm, e il quark down uguale al quark strange. Elimineremmo di fatto la prima famiglia, quella dei cui componenti è fatto tutta la materia "ordinaria" che ci circonda. Il quark più leggero sarebbe il quark strange, e ci ritroveremmo in un universo in cui il solo adrone stabile sarebbe quello che dalle nostre parti conosciamo come \Omega^- ("omega meno"), formato da tre quark strange. In quell'universo esiterebbe un solo atomo, simile al nostro idrogeno, ma con l'\Omega^- come nucleo al posto del protone, e un muone al posto dell'elettrone a ronzargli intorno. Come già negli esperimenti precedenti, non si tratterebbe di un universo particolarmente interessante! E potremmo continuare...

parametrims_omegameno

Che cosa succederebbe invece in un universo in cui esistesse soltanto la prima famiglia di fermioni? Ovvero: come si comporterebbe un universo governato da un Modello Standard in cui i parametri che determinano le masse dei fermioni della seconda e terza famiglia fossero identici a quelli delle corrispondenti particelle  della prima famiglia? Un universo, insomma, con le stesse identiche interazioni del nostro, ma popolato soltanto da elettroni, neutrini elettronici, e quark up e down, i componenti di tutto quello che ci circonda.

parametrims_primafamiglia

Potremmo essere tentati di rispondere: quell'universo sarebbe identico al nostro! Se tutto quello che circonda è costituito dai fermioni della prima famiglia, a che cosa servono dunque quelli della seconda e della terza? In effetti le cose sarebbero indistinguibili dal mondo in cui ci troviamo a vivere, a patto che quell'universo sia stato creato con la stessa quantità di materia ordinaria che osserviamo nel nostro oggi. C'è un problema importante con questa ipotesi, che non riguarda tanto il comportamento attuale di quell'universo alternativo, quanto piuttosto la sua capacità di evolvere fino ad assomigliare al nostro. Per capire questo problema, dobbiamo iniziare parlando di materia e antimateria, e di un fenomeno che si chiama annichilazione.

In tutte i capitoli precedenti di questa serie, ho sempre genericamente parlato di "particelle". Il che vuol dire che ho deliberatamente omesso, nel testo e nei disegnini, di parlare anche delle "anti-particelle", ovvero dei compagni "allo specchio" dei componenti fondamentalli della materia. È dalla metà del secolo scorso che sappiamo, prima in teoria e poi pure in pratica, che per ogni particella di materia ne esiste un'altra del tutto uguale tranne che per la carica elettrica opposta: per l'elettrone l'antielettrone, anche detto positrone, per ogni quark un antiquark, e così via. L'esistenza delle particelle di antimateria fu ipotizzata da Dirac nel 1928, come una conseguenza intrigante della struttura matematica della sua omonima equazione, e poi messa in evidenza sperimentalmente nel 1932, con la scoperta del positrone.

L'antimateria e la materia sono soggette a un fenomeno particolare. Se una particella di antimateria viene a contatto con la corrispondente particella di materia, entrambe le particelle spariscono in un processo chiamato annichilazione, in cui tutta l'energia della coppia particella-antipaticella, inclusa quella associata alle loro masse, viene rilasciata sotto forma di radiazione.

parametrims_annichilazione

Se le equazioni che governano il nostro mondo si comportassero in maniera perfettamente equivalente con la materia e l'antimateria, allora il nostro universo sarebbe riempito esclusivamente da radiazione. La materia e l'antimateria, presenti in quantità uguali al momento del Big Bang, avrebbero finito per annichilirsi completamente. L'universo in cui ci troviamo a vivere è in effetti riempito di radiazione, un rimasuglio di questa annichilazione primordiale! Ma una piccola frazione della materia originaria è però sopravvissuta all'annichilazione con l'antimateria, che è invece tutta scomparsa. Ne è rimasto un universo certamente dominato dalla radiazione e privo di antimateria, in cui però la piccola eccedenza di materia è rimasta a formare galassie, stelle e pianeti. Come mai? Non lo sappiamo, ma nella prossima puntata proveremo a capire se i parametri del Modello Standard abbiano qualcosa a che fare con questa fondamentale asimmetria.

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La mappa della radiazione cosmica di fondo misurata da WMAP (fonte: NASA)

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10 Commenti

  1. Simone Scardapane
    Pubblicato il 26 ottobre 2016 alle 12:36 | Permalink

    Bellissima serie! Solo un piccolo refuso alla fine: "qualcosa questa" immagino dovesse essere "qualcosa a che fare con questa".

  2. Pubblicato il 26 ottobre 2016 alle 14:02 | Permalink

    Grazie, corretto!

  3. lisa
    Pubblicato il 26 ottobre 2016 alle 20:09 | Permalink

    grazie Marco! non vedo l'ora di leggere la prossima puntata!

  4. Pubblicato il 27 ottobre 2016 alle 22:01 | Permalink

    Forse hai un correttore ortografico prepotente (usuale al posto di uguale, Qualcuno di invece di Qualcuno si).

    Mi chiedo: cambiando più di una costante contemporaneamente si riesce ad ipotizzare, a grandi linee ovviamente, un qualche universo che possa evolvere in maniera complessa come quello che stiamo sperimentando?

    Non penso che tutti i parametri siano ugualmente "critici", alcuni ammetteranno variazioni più ampie di altri prima di rendere impossibile lo sviluppo di questo universo. C'è qualche parametro particolarmente "flessibile"?

  5. Pubblicato il 28 ottobre 2016 alle 12:28 | Permalink

    (Grazie per la segnalazione, corretto)

    Rispondere alla tua domanda è difficile, perché tutto stan del definire cosa voglia dire "maniera complessa". Se implica lo sviluppo di vita basata sull'acqua, allora gli spazi di cambiamento sono veramente limitati. Poi, ovviamente, ci sono parametri meno sensibili di altri, ma, come vedrai nelle prossime puntate, sono tutti piuttosto necessari alla particolare forma di universo che osserviamo.

  6. salvatore
    Pubblicato il 1 gennaio 2017 alle 20:27 | Permalink

    Ciao Marco. Volevo chiederti se per questa serie sul modello standard ci sono altre puntate o hai terminato con la sesta.

  7. Pubblicato il 2 gennaio 2017 alle 17:42 | Permalink

    No, no, continua (come è scritto in calce all'ultima puntata), appena trovo il tempo di scrivere i pezzi successivi. Non perdere la speranza! 😉

  8. Marc Catalano
    Pubblicato il 15 febbraio 2017 alle 20:38 | Permalink

    Ciao Marco,
    Mi piace la fisica delle particelle, sono solo appassionato e non un fisico
    E mi viene una domanda
    Scrivi che materia e antimateria "se messe a contatto" si annichilano
    Non si può ipotizzare che materia e antimateria fossero "alla pari"
    Al momento del big bang e "non del tutto a contatto" ?
    anche se sappiamo che
    Si trattava di uno spazio piuttosto"limitato"... O per altra ragione ancora sconosciuta
    E che quindi l'eccesso di materia abbia creato
    Il ns. Universo e che l'eccesso di antimateria abbia
    Generato un altro universo "antiuniverso"
    a noi ancora sconosciuto ...
    E fantascienza o no ?
    Cosa dimostra in modo sicuro che quantità di materia e antimateria
    Al momento del big bang fossero alla pari ?

    Grazie x un tuo chiarimento.. Marc

  9. Pubblicato il 19 febbraio 2017 alle 10:40 | Permalink

    @Marc: le equazioni che descrivono (o "prevedono", se preferisci) l'esistenza dell'antimateria al fianco della materia sono per la maggior parte perfettamente simmetrie, e non lasciano dunque molte ragioni per immaginare un'asimmetria iniziale. Puoi ovviamente fare tutte le ipotesi che vuoi, compresa quella che vedrebbe il nostro universo come una bolla di un multiverso più vasto, bolla nella quale l'eccesso di materia non sarebbe che un accidente, una fluttuazione rispetto alla generare simmetria. Toccheremo questo genere di soluzioni quando parleremo delle ipotesi di multiverso come possibili soluzioni all'apparente unicità dei parametri del MS.

  10. Marc Catalano
    Pubblicato il 21 febbraio 2017 alle 23:46 | Permalink

    Grazie molto Marco.

    Non vedo l'ora di leggere i tuoi prossimi capitoli.

    Merci

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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