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Il dominio della materia spiegato dal bosone di Higgs?

L'enorme preponderanza della materia sull'antimateria è uno dei grandi misteri del nostro universo. [Clara Moskowitz]

Il dominio della materia spiegato dal bosone di Higgs?

redazione

26 Febbraio 2015 - 15.34


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di Clara Moskowitz

Le stelle, i pianeti – e anche noi esseri umani – avrebbero potuto essere fatti tanto di antimateria quanto di materia. Ma non lo sono. All’inizio della storia dell’universo è accaduto qualcosa che ha dato il via al sopravvento della materia sull’antimateria, lasciando un mondo di cose fatte di atomi e scarse tracce di quell’antimateria una volta così abbondante ma oggi rarissima. Una nuova teoria, illustrata in un [url”articolo”]http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.061302[/url] apparso l’11 febbraio sulle “Physical Review Letters”, suggerisce che il responsabile di tutto questo potrebbe essere il bosone di Higgs, o più precisamente, il campo di Higgs associato alla particella.

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Si pensa che il campo di Higgs pervada tutto lo spazio e conferisca la massa alle particelle che lo attraversano. Se il campo di Higgs avesse avuto un valore molto elevato nei primi istanti dell’universo e fosse andato gradualmente diminuendo, avrebbe avuto l’effetto di differenziare le masse delle particelle dalle loro antiparticelle nel corso del tempo, creando così un’anomalia, poiché attualmente l’antimateria ha la stessa massa, ma carica opposta rispetto alla materia.

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Questa differenza di massa, a sua volta, avrebbe potuto rendere più probabile la formazione di particelle di materia che di antimateria nei primi istanti dell’universo, producendo l’eccesso di materia che vediamo oggi. “È una bella idea che merita ulteriori approfondimenti”, ha spiegato il fisico Kari Enqvist dell’Università di Helsinki, che non è tra i firmatari dell’articolo ma ha studiato anch’egli la possibilità che il campo di Higgs possa essere diminuito nel corso del tempo. “La probabilità che il campo Higgs abbia avuto un valore iniziale elevato dopo l’inflazione è molto alta”.

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L’inflazione dell’universo

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Secondo la teoria, l’inflazione è un’epoca primordiale dell’universo in cui lo spazio-tempo si espanse rapidamente. “L’inflazione ha una proprietà molto particolare: permette ai campi di saltare da un valore a un’altro”, ha spiegato Alexander Kusenko dell’Università della California a Los Angeles, che ha guidato lo studio. Durante l’inflazione, che ha modificato radicalmente l’universo nell’arco di molto meno di un secondo, il campo di Higgs potrebbe essere passato da un valore a un altro a causa di fluttuazioni quantistiche, ed essersi bloccato su un valore molto elevato una volta terminato il processo inflattivo. Successivamente, avrebbe raggiunto un valore “di equilibrio” più basso, ma mentre cambiava continuamente il suo valore, avrebbe potuto conferire alle particelle di materia masse diverse rispetto alle loro controparti di antimateria. In questo modello, le particelle più leggere sono emerse con più frequenza, poiché richiedevano meno energia per formarsi. Quindi, se la materia fosse stata più leggera, avrebbe potuto diventare rapidamente più abbondante.

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Il motivo per cui il campo di Higgs avrebbe potuto variare così facilmente durante l’inflazione è che la massa misurata del bosone di Higgs, la particella associata al campo, è relativamente bassa. Il bosone è stato rivelato nel 2012 grazie al Large Hadron Collider (LHC), in Svizzera, e la sua massa misurata è di circa 126 GeV (gigaelettronvolt), ovvero circa 118 volte la massa del protone.

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Si tratta di un valore un po’ più basso di quello previsto da diverse teorie. Si può pensare al campo di Higgs come una valle tra due montagne. Il valore del campo è rappresentato dall’altitudine della valle, mentre la massa del bosone determina la pendenza delle pareti rocciose. “Se la valle ha una forma molto arrotondata, allora probabilmente i lati sono molto ripidi”, ha spiegato Kusenko. “Il valore misurato ci dice che le pareti non sono molto ripide: ciò significa che il campo di Higgs potrebbe saltare e raggiungere un valore molto diverso, in altre valli con quote più elevate”. Enqvist concorda sul fatto che il bosone potrebbe benissimo aver iniziato con valori molto superiori a quelli di oggi. Che questo abbia causato o meno la separazione della materia dall’antimateria “è ancora oggetto di speculazione”.

Una nuova particella

Tale separazione dipenderebbe dalla presenza di una particella prevista per via teorica ma non ancora rivelata sperimentalmente: il neutrino pesante di Majorana. I neutrini sono particelle fondamentali che si presentano in tre sapori: elettronico, muonico e tauonico. Tuttavia, potrebbe anche esistere un quarto neutrino, molto più pesante degli altri e quindi più difficile da rivelare (quanto più una particella è pesante, tanto maggiore dev’essere l’energia che un acceleratore deve raggiungere per crearla). La peculiarità di questa particella sarebbe quella di coincidere con la propria controparte di antimateria. In altre parole, non esisterebbero due versioni, una di materia e l’altra di antimateria, della particella: nel caso dei neutrini di Majorana, la materia coinciderebbe con l’antimateria.

Nell’universo primordiale, questa duplice natura avrebbe messo i neutrini nelle condizioni di diventare particelle di antimateria e viceversa. Le leggi della meccanica quantistica consentono alle particelle di trasformarsi in altre particelle per brevi istanti di tempo, ma normalmente la conversione tra materia e antimateria è proibita. Tuttavia, se una particella di antimateria, per esempio un antineutrino elettronico, si fosse trasformato in un neutrino di Majorana, quest’ultimo avrebbe potuto trasformarsi in un neutrino elettronico, oppure altrettanto facilmente ritornare nella sua forma originale di antineutrino elettronico. E se allora il neutrino fosse stato più leggero dell’antineutrino, a causa del campo di Higgs variabile, il neutrino stesso si sarebbe formato con maggiore probabilità, dando potenzialmente alla materia un vantaggio sull’antimateria.

“Se questo fosse vero, si risolverebbe un grande mistero nella fisica delle particelle”, ha aggiunto Don Lincoln del Fermi National Accelerator Laboratory, in Illinois, che non ha partecipato allo studio. Il neutrino di Majorana “è del tutto teorico, poiché ha eluso ogni tentativo di rivelazione; tuttavia, gli esperimenti LHC hanno un serrato programma di ricerca per trovarlo. I ricercatori certamente terranno conto di questa idea mentre analizzeranno i nuovi dati di LHC all’inizio dell’estate di quest’anno”.

Kusenko e colleghi hanno ipotizzato anche un’altra via per fornire ulteriore sostegno alla loro teoria. Il processo di trasformazione del campo di Higgs da loro teorizzato avrebbe potuto creare particolari campi magnetici che ancora si troverebbero nell’universo attuale: in tal caso, si potrebbero rilevare. Se dimostrata, l’esistenza di tali campi fornirebbe la prova che il campo di Higgs è effettivamente diminuito di valore molto tempo fa.

I ricercatori hanno appena iniziato a studiare le proprietà che questo campo magnetico avrebbe e a pensare a come determinarle, ma la semplice possibilità che ciò accada apre la prospettiva allettante che la teoria abbia conseguenze verificabili, risolvendo finalmente il mistero dell’antimateria.

(25 febbraio 2015)

La versione originale di questo articolo è apparsa il 20 febbraio su [url”scientificamerican.com”]scientificamerican.com[/url]. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.

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