Cosa sappiamo dell’Antimateria?
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Luigi Maxmilian Caligiuri - 08/01/2018
Viviamo in un Universo dominato dalla materia, fatta di atomi a loro volta costituiti da protoni, neutroni ed elettroni che ne determinano le proprietà macroscopicamente osservabili. Ma oltre alla materia “usuale” di cui siamo costituiti e che sperimentiamo quotidianamente, ne esiste di un’altra specie, molto meno comune, ma altrettanto importante nell’ambito delle dinamiche dell’Universo, vale a dire la cosiddetta “antimateria”. Se non fosse per via delle sue più intime caratteristiche essa apparirebbe del tutto simile alla materia “ordinaria” e, a prima vista, indistinguibile da essa.
Ma di cosa è fatta, in realtà, l’antimateria?
È possibile definirla come “l’opposto della materia”?
E in che senso si può parlare di opposto?
L’antimateria può essere considerata come l’immagine “speculare” della materia ordinaria, il suo “doppio” in un “universo alla rovescia”, tale che se essa incontra la materia, le rispettive caratteristiche complementari si cancellano reciprocamente dando luogo al fenomeno della cosiddetta annichilazione, vale a dire la distruzione di entrambe con conseguente emissione di pura energia sotto forma di radiazione gamma. In questo senso l’antimateria può essere effettivamente considerata in senso letterale come l’antagonista della materia.
La primordiale battaglia tra materia e antimateria
Ma se l’antimateria è presente nell’Universo come mai non assistiamo continuamente a tali poderosi fenomeni di annichilazione materia-antimateria ? Infatti, nel nostro Universo osservabile, per quanto siamo in grado oggi di conoscere, la materia è ubiquitaria e rappresenta il risultato di una primordiale “battaglia” tra materia ed antimateria svoltasi subito dopo l’origine dell’Universo ovvero, secondo la teoria prevalentemente accettata, negli istanti immediatamente successivi al Big Bang. Infatti, secondo tale modello cosmologico, in seguito al Big Bang si sarebbero generate quantità perfettamente uguali di materia ed antimateria, in particolare avendosi per ogni quark un rispettivo antiquark e per ogni leptone (la famiglia di particelle leggere cui appartiene l’elettrone) esattamente un antileptone. Materia e antimateria sarebbero poi andate incontro a un processo noto come “grande annichilazione” che avrebbe portato alla distruzione di gran parte (tutta ?) dell’antimateria e alla sopravvivenza dei semi della materia che avrebbero poi portato alla formazione delle strutture materiali del nostro Universo e il cui residuo sarebbe rappresentato dalla cosiddetta “radiazione cosmica di fondo a microonde” che pervade ancora l’Universo a miliardi di anni di distanza dall’evento di annichilazione.
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Ma se le quantità iniziali di materia ed antimateria sottoposte al processo di grande annichilazione erano le stesse, come è possibile allora che solo la materia sia, almeno per quanto ci è dato di sapere, “sopravvissuta” al processo? La risposta a tale domanda e quindi alla spiegazione dell’asimmetria materia-antimateria nell’Universo costituisce infatti uno dei più grandi misteri della scienza ad oggi tuttora irrisolto.
Ma cosa differenzia la materia dall’antimateria ? Così come la prima anche la seconda può essere composta da atomi e molecole, che potremmo definire anti-atomi ed anti-molecole rispettivamente, le cui caratteristiche appaiono, a tale scala, sostanzialmente indistinguibili da quelle proprie della materia. Ciò significa che le differenze tra i due tipi di materia e il dualismo che esse manifestano devono essere ricercati a un livello ancora più fondamentale, ossia penetrando nella struttura più intima dei nuclei atomici. La Teoria Quantistica Relativistica di Campo che rappresenta la sintesi tra Teoria della Relatività Speciale e Meccanica Quantistica impone che i costituenti più elementari della materia non possano essere costituiti esclusivamente da particelle di materia ma che, per ciascuna particella subatomica, debba esistere un’entità “speculare”, in grado di formare, al pari della materia usuale, strutture atomiche e molecolari in apparenza simili a queste ultima ma, in realtà, profondamente differenti da queste.
Ad esempio, è noto che le leggi fondamentali dell’elettromagnetismo, l’interazione che garantisce la stabilità della materia su scala macroscopica, risultano invarianti se si scambiano tutte le cariche negative con delle cariche di uguale intensità ma segno opposto e viceversa. Se supponessimo che tutti gli elettroni abbiano carica positiva anziché negativa e i protoni carica negativa anziché positiva, ciò non determinerebbe alcuna differenza macroscopicamente osservabile nel comportamento degli atomi e delle molecole.
Tale scambio di carica trasformerebbe, effettivamente, la materia in antimateria in modo tale che, ad esempio, un atomo di anti-idrogeno sarebbe costituito da un anti-elettrone (di carica positiva) che interagisce con un anti-protone (di carica negativa).
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