Materia e antimateria hanno eguale massa

Il superacceleratore LHC (Large Hadron Collider) continua a regalare scorci nuovi sulla natura alla scala subnucleare. Nell’ambito dell’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), un team di fisici italiani dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) ha verificato l’uguaglianza di una proprietà fondamentale della materia e dell’antimateria nucleare, la massa, a un livello di precisione mai raggiunto prima. La ricerca si è guadagnata la pubblicazione su Nature Physics, la prima per ALICE su questa prestigiosa rivista.

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Osservate le particelle di Majorana in un superconduttore

I fisici dell’Università di Princeton hanno osservato una particella esotica che si comporta contemporaneamente come materia e antimateria, una impresa che è stata resa possibile grazie alle nostre conoscenze di matematica e di ingegneria e che in futuro potrebbe portare alla costruzione di potenti computer basati sui principi della meccanica quantistica.

AMS-02, nuovi indizi sulla materia scura

Uno degli scopi principali dell’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), che si trova nello spazio a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, è quello di studiare i raggi cosmici misurandone con una precisione elevata la loro composizione e il flusso. Una piccola frazione di queste particelle super energetiche può originarsi a seguito delle collisioni tra le “particelle candidate” di materia scura che permea la nostra galassia. Oggi, nuovi dati raccolti dal rivelatore AMS suggeriscono che l’identificazione di un segnale positivo legato alla presenza di materia scura sia veramente alla portata dei fisici. Ricordiamo che la materia scura è quella misteriosa componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo.

I neutrini non fanno la ‘doppia faccia’

Dopo circa due anni di ricerche mirate allo studio di un particolare processo di decadimento radioattivo, che aveva lo scopo di trovare nuovi segnali della presenza di una nuova fisica al di là del modello standard, un esperimento sotterraneo denominato Enriched Xenon Observatory (EXO) vicino a Carlsbad nel New Mexico non ha prodotto alcuna evidenza della sua esistenza. Se questo processo esiste davvero in natura, allora il suo tempo di dimezzamento deve essere di almeno un milione di miliardi di volte più lungo dell’età dell’Universo. 

ALPHA pone un limite alla carica elettrica dell’anti-idrogeno

Secondo le attuali teorie, subito dopo il Big Bang si crearono esattamente le stesse quantità di materia e di antimateria ma oggi vediamo che l’Universo è interamente composto di materia. La domanda è: dov’è andata a finire l’antimateria? Questa è solo una delle questioni fondamentali che riguardano un problema ancora aperto della fisica moderna e cioè l’asimmetria materia-antimateria di cui se ne parla in un lungo capitolo nel testo Enigmi Astrofisici. Oggi, però, un nuovo studio condotto da alcuni ricercatori del CERN ci permette di fare un passo avanti verso la risoluzione di questo mistero. Grazie ad una serie di esperimenti condotti da ALPHA presso l’Antiproton Decelerator (AD) del CERN, è stato possibile misurare con grande precisione la carica elettrica dell’anti-idrogeno, un risultato che ci fornisce preziosi indizi su quelle minuscole differenze che esistono tra materia e antimateria e, indirettamente, sull’assenza di antimateria nell’Universo.

CERN: CERN’s ALPHA experiment measures charge of antihydrogen

Nature: An experimental limit on the charge of antihydrogen

Le linee guida per risolvere i misteri della fisica fondamentale

Alla scorsa conferenza tenutasi presso l’Università del Minnesota, tra la fine di Luglio e i primi di Agosto, durante il Snowmass Community Summer Study, quasi 700 fisici delle particelle provenienti da circa un centinaio di università hanno raggiunto una serie di conclusioni allo scopo di svelare durante i prossimi venti anni i segreti più nascosti della materia, dell’energia, dello spazio e del tempo.

Senza alcun dubbio, negli ultimi due anni gli scienziati hanno fatto passi da gigante verso la comprensione delle leggi della natura. La scoperta del nuovo bosone scalare, annunciato il 4 Luglio 2012 dai fisici del CERN (post), ha posto ‘fine’ ad una lunga ricerca durata diversi decenni e nuovi indizi sono emersi sul comportamento bizzarro di alcune particelle chiamate neutrini (neutrini). Nonostante questi successi, in realtà rimangono ancora alcune domande aperte: ad esempio, le proprietà fondamentali dei neutrini non sono completamente comprese; materia scura ed energia scura, che costituiscono insieme il 95% del contenuto materia-energia dell’Universo, rappresentano gli enigmi più profondi della cosmologia moderna (vedasi Enigmi Astrofisici). Gli scienziati che hanno partecipato quest’anno al congresso Snowmass Community Summer Study hanno definito una serie di linee guida allo scopo di identificare e cercare di risolvere i temi più importanti della fisica delle particelle.

Ecco qui di seguito una serie di domande a cui occorrerà dare una risposta:

1. Il bosone di Higgs non è una particella come le altre. Perché è così differente? Ce ne sono altri?

2. I neutrini sono particelle elusive e molto leggere e che possono modificare la loro identità man manco che si propagano. In che modo possono essere spiegati nell’ambito del quadro generale?

3. Le particelle note costituiscono 1/6 di tutta la material presente nell’Universo. Il resto viene chiamato materia scura. Ma che cos’è? Possiamo rivelare queste particelle in laboratorio? Ci sono, forse, alter particelle che non sono state ancora scoperte?

4. Conosciamo quattro interazioni fondamentali. Si tratta di quattro manifestazioni diverse di una singola forza? Esistono altre forze in natura?

5. Esistono nuove dimensioni ‘nascoste’ dello spazio e del tempo?

6. Materia e antimateria vennero prodotte in seguito al Big Bang. Come mai il nostro Universo è fatto sostanzialmente di materia?

7. Perché l’espansione dell’Universo sta accelerando?

Oggi, nonostante esistano numerose idee nel campo della fisica delle particelle, c’è ancora molto da esplorare e la nostra comprensione dell’Universo si limita solamente ad una frazione inferiore al 5% rispetto al contenuto totale materia-energia. La domanda è: che cos’è tutto il resto? Insomma, per i prossimi venti anni l’obiettivo dei fisici sarà quello di realizzare esperimenti di nuova generazione in modo da espandere sempre di più le nostre conoscenze sulla natura dello spazio e del tempo e tentare così di risolvere alcuni misteri della fisica fondamentale.

AMS-02, i primi risultati suggeriscono l’esistenza di un ‘oceano’ di materia scura

Il grafico illustra l’eccesso di positroni in funzione dell’energia delle particelle. I dati sono abbastanza bene descritti, anche se non confermati, dal modello che spiega la materia scura costituita dalle particelle WIMPs.
Credit: CERN

Il 29 Aprile 2011 è stata l’ultima missione dello Space Shuttle Endeavour (STS-134), la penultima del programma STS, che ha portato a bordo l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un rivelatore di particelle costruito appositamente per operare nello spazio agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). AMS è stato concepito per fornire le risposte ad alcune questioni fondamentali della fisica delle particelle ed in particolare allo studio dell’antimateria, della materia scura, dell’energia scura e dei raggi cosmici.

Dopo quasi due anni di osservazioni, i primi risultati, sebbene preliminari, suggeriscono che le ‘impronte digitali cosmiche’ le cui tracce sono presenti nei raggi cosmici sono il frutto dell’esistenza di materia scura, quella enigmatica e misteriosa componente di materia invisibile che caratterizza quasi il 27% del contenuto materia-energia dell’Universo (post). Naturalmente, il caso non è chiuso dato che queste prime evidenze potrebbero essere associate ad altre sorgenti di radiazione come, ad esempio, le pulsar. Il Premio Nobel Samuel Ting, che è responsabile del programma scientifico, è convinto che nei prossimi mesi avremo qualche dato più certo e che al momento non è ancora possibile risolvere questo ‘puzzle’ astrofisico. Ciò che risulta chiaro è il fatto che c’è qualcosa, in altre parole esiste un segnale evidente ma non sappiamo di che cosa si tratti. Il mistero della materia scura risale agli anni ’30 quando Fritz Zwicky ottenne le prime evidenze relative all’esistenza di un eccesso di materia invisibile negli ammassi di galassie. Da lì in poi fino ad arrivare ai più recenti esperimenti, sia con gli acceleratori di particelle che con speciali rivelatori sotterranei, non è mai stato ottenuto un risultato significativo che ci permetta di svelare il segreto della materia scura. Oggi, però, c’è un modo diverso di guardare alle rare collisioni delle particelle che avvengono nello spazio. Infatti, nel momento in cui due particelle di materia scura interagiscono e annichilano, ci si aspetta che esse lascino una sorta di “impronta” costituita da positroni, cioè le antiparticelle degli elettroni, ad elevate energie. E’ ciò che stanno cercando Ting ed il suo gruppo di ricercatori. La notizia è che sono state trovate alcune tracce interessanti ma potrebbero essere associate alle pulsar. Per capire allora a quale sorgente esse siano correlate occorrerà analizzare il grafico che riguarda il segnale emesso dai positroni: se la curva assume un determinato andamento potrebbe essere consistente con l’ipotesi delle WIMPs, che sono le particelle candidate per costituire la materia scura, altrimenti bisogna ricorrere alle pulsar. Dunque, questo comportamento potrebbe rappresentare per gli scienziati la discriminante. Infatti, una delle proprietà delle particelle WIMPs è che quando esse collidono si ha la produzione di una certa quantità di energia e la formazione di particelle subatomiche, secondo l’equazione di Einstein che esprime l’equivalenza tra la massa e l’energia (E = mc²). Questo processo è simile a quello che avviene quando un elettrone e un positrone collidono liberando una certa quantità di energia. Nel caso delle particelle WIMPs uno dei risultati del processo di autoannichilazione è proprio la creazione di elettroni e positroni. AMS-02 è stato concepito per rivelare queste particelle. I dati che sono stati raccolti dal rivelatore durante i primi 18 mesi di osservazioni si riferiscono a circa 25 miliardi di eventi rari che sono collegati ai raggi cosmici di cui circa 7 milioni sono nella forma di elettroni e positroni. Analizzando questi dati preliminari è stato trovato qualcosa di interessante: un eccesso di positroni rispetto a quanto ci si aspetta dal segnale di fondo dovuto alle sorgenti di radiazione ordinaria, già osservato da altri esperimenti ma ora misurato da AMS-02 con una precisione migliore. Tutto questo è consistente con quanto previsto nel caso in cui le particelle di materia scura siano di tipo WIMPs. Fantastico, anche se non possiamo concludere ancora nulla. Di fatto, ci potrebbero essere altre sorgenti, appunto come le pulsar, che si originano quando stelle massicce esplodono formando le stelle di neutroni in rapida rotazione. Questo processo dà luogo alla creazione di particelle di alta energia il cui segnale può assomigliare a quello dovuto alle WIMPs. Per completezza di informazione segnaliamo che c’è chi ritiene che questi risultati preliminari siano incorretti e fuorvianti (post). Comunque sia, staremo a vedere cosa accadrà nei prossimi mesi. AMS-02 continuerà ad osservare i raggi cosmici, dove si celano le tracce di questi segnali, fino al 2020. Insomma, si tratta di una storia affascinante, un giallo da risolvere che secondo Michael Turner, uno dei più grandi esperti del ‘settore scuro’ dell’Universo, potrebbe ben presto arrivare ad una conclusione.

AMS-02: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer Experiment

Physical Review Letters: The first results from the space-borne Alpha Magnetic Spectrometer confirm an unexplained excess of high-energy positrons in Earth-bound cosmic rays

Physical Review Letters: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station:Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV

Un eccesso di antineutrini nell’Universo primordiale

Uno dei misteri della cosmologia moderna è quello che riguarda l’asimmetria barionica e cioè il fatto che l’Universo in cui viviamo è fondamentalmente costituito di materia. La domanda è: dove è andata a finire l’antimateria? I barioni, ossia le particelle che sono composte da una combinazione di tre quark, includono i protoni e i neutroni e rappresentano la materia ordinaria di cui anche noi stessi siamo fatti. Tuttavia, si conosce ancora poco sulla possibile esistenza di una asimmetria leptonica in cui cioè esistono nell’Universo quantità diverse di leptoni e antileptoni. Esempi di leptoni sono gli elettroni e i neutrini. Quest’ultimi, in particolare, sono molto difficili da rivelare rispetto ai barioni poiché sono delle particelle elusive e molto leggere e, di conseguenza, meno energetiche.

Oggi, grazie ad uno studio recente, i fisici Dominik J. Schwarz e Maik Stuke della Bielefeld University in Germania hanno pubblicato un articolo sul New Journal of Physics dove spiegano come i recenti dati relativi alla radiazione cosmica di fondo suggeriscano che l’Universo contenga un eccesso di antineutrini rispetto ai normali neutrini (video abstract). Inoltre, questa asimmetria leptonica potrebbe, in linea di principio, superare l’asimmetria barionica, che è dell’ordine di 10^-10, anche di diversi ordini di grandezza. Il numero totale di leptoni potrebbe così superare il numero totale di barioni presenti nell’Universo. Tuttavia, trovare tracce di questa asimmetria leptonica non è un lavoro molto semplice. I leptoni hanno una energia così bassa che la maggior parte di queste particelle possono facilmente ‘celarsi’, per così dire, nel segnale di fondo dovuto ai neutrini e perciò diventa complicato rivelarli. Nonostante ciò, Schwarz e Stuke sono convinti che i leptoni possano essere osservati esplorando le epoche primordiali della storia cosmica poiché essi avrebbero giocato un ruolo importante da un lato nel processo della nucleosintesi, cioè la produzione dei nuclei degli elementi più leggeri che si formarono immediatamente dopo il Big Bang, e dall’altro nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione fossile prodotta circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo. In particolare, i leptoni avrebbero svolto la loro azione durante la formazione dell’elio primordiale. I due ricercatori hanno misurato l’abbondanza di questo elemento utilizzando i nuovi dati della radiazione cosmica di fondo ottenuti con l’Atacama Cosmology Telescope, con il South Pole Telescope e con il satellite WMAP. Confrontando questi risultati con i dati relativi all’abbondanza dell’elio derivata dalle osservazioni locali che si riferiscono alle regioni di cielo extragalattiche, gli scienziati sono stati in grado di porre alcuni limiti all’asimmetria leptonica. I dati suggeriscono che esiste una possibilità che l’Universo sia governato dagli antineutrini, anziché da quelli normali, il che avrebbe delle implicazioni importanti sulla nostra attuale comprensione di ciò che accadde durante le fasi iniziali della storia cosmica. In più, l’eccesso di antineutrini porterebbe, in linea teorica, ad un aumento del tasso di espansione dell’Universo. Comunque, finora i dati non danno una indicazione che lo scenario standard della nucleosintesi primordiale possa essere, in qualche modo, sbagliato. Ora i fisici sperano che nel futuro nuovi dati sulla radiazione cosmica di fondo e misure più accurate delle abbondanze degli elementi primordiali potranno fornirci degli indizi per verificare sperimentalmente l’asimmetria leptonica e confrontarla con quella barionica, anche se al momento non abbiamo alcuna idea da dove quest’ultima provenga (vedasi Enigmi Astrofisici).

Questo post è stato citato da Maik Stuke: Anti-Neutrinos famous all around the World

New Journal of Physics: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

arXiv: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

L’esperimento BaBar conferma l’asimmetria del tempo quantistico

Sappiamo tutti che il tempo procede in avanti e una prova di questo possiamo percepirla se guardiamo un film e poi lo rivediamo riavvolgendo la pellicola: gli effetti sono decisamente differenti. Ma se ci mettiamo dal punto di vista di una singola particella, lo scorrere del tempo appare lo stesso in entrambe le direzioni. Inoltre, se osservassimo ad esempio un filmato relativo all’interazione di due particelle che si allontanano l’una dall’altra esso apparirebbe diverso se lo guardassimo al contrario: questo concetto è noto come simmetria per inversione temporale (time reversal symmetry).

Oggi, l’esperimento BaBar presso il Department of Energy’s (DOE) dello SLAC National Accelerator Laboratory ha realizzato la prima osservazione diretta di una eccezione a questa regola a lungo teorizzata. Infatti, dopo aver analizzato una grande quantità di dati raccolti durante 10 anni di esperimenti sulla collisione delle particelle, i ricercatori hanno trovato che alcune di esse si scambiano molto più frequentemente in un modo rispetto ad un altro, una chiara evidenza di violazione della simmetria per inversione temporale e, allo stesso tempo, una conferma che certi processi fisici che avvengo a livello subatomico seguono una direzione privilegiata del tempo. I risultati sono alquanto robusti e hanno un livello di confidenza impressionante, pari cioè a 14-sigma, decisamente ben al di là di quanto richiesto per affermare che si tratti di una scoperta. “E’ stato molto eccitante realizzare una analisi dati tale da permetterci di osservare direttamente e in maniera non ambigua la natura asimmetrica del tempo”  spiega Fernando Martínez-Vidal, un professore di fisica dell’Università di Valencia che ha guidato l’analisi dei dati. L’esperimento BaBar, che ha raccolto dati da SLAC dal 1999 al 2008, è stato concepito per studiare le sottili differenze relative al comportamento della materia e dell’antimateria al fine di rispondere ad una delle grandi domande: perché l’Universo è fatto di materia? I fisici che lavorano a BaBar hanno già trovato che i mesoni B e B-barrato hanno, di fatto, un comportamento diverso e tale da violare la cosiddetta simmetria CP, che incorpora le simmetrie relative allo scambio della carica elettrica (positiva e negativa) e della parità (che può essere pensata come nel concetto di sinistrorsa e destrorsa). La simmetria CP è poi connessa con la simmetria ‘time reversal’ attraverso il teorema CPT (carica-parità-tempo) che stabilisce il fatto che per ogni particella le tre simmetrie devono bilanciarsi. Se una delle simmetrie viene violata, allora sarà violata almeno una delle altre due. I dati dell’esperimento BaBar, avendo già dimostrato la violazione della simmetria CP, hanno rappresentato un valido strumento d’indagine per studiare eventuali violazioni della simmetria per inversione temporale che serve per verificare il teorema CPT.

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[Press release: BaBar Experiment Confirms Time Asymmetry]

[Abstract: Observation of Time-Reversal Violation in the B0 Meson System]

Gravità ‘repulsiva’ come ipotesi alternativa all’energia scura

E’ stato detto molte volte che l’energia scura, quella misteriosa componente che rappresenta il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che sta causando la sua espansione accelerata, è oggi il problema più imbarazzante che i cosmologi stanno tentando di risolvere. Il fisico teorico Massimo Villata dell’Istituto Nazionale di Astrofisica di Pino Torinese, afferma che il concetto di energia scura è una sorta di idea ad-hoc della cosmologia standard e che è privo di significato fisico. Villata è uno degli scienziati che stanno cercando nuove spiegazioni all’espansione accelerata dell’Universo introducendo altre forme di gravità di natura repulsiva. Se ciò si dimostrerà vero, allora la gravità repulsiva potrebbe forse derivare dall’antimateria che si cela nei grandi spazi vuoti.

ArXiv: “Dark energy” in the Local Void