Nell'universo dell'anti-materia

L'universo non è più quello di una volta. Altro che armonia celeste: lassù c'è un gran caos.

Una serie di progetti (Fermi, Planck, Herschel e il Large Hadron Collider del Cern, solo per citarne alcuni) stanno velocemente ridisegnando le nostre conoscenze sul cosmo, arrivando a vedere i confini ultimi del creato.

E saltano fuori intere galassie che 'non tornano', forze oscure che influenzano la gravitazione universale, sorgenti misteriose che producono radiazioni di altissime energie e di cui non riusciamo a sapere nulla.

Più osserviamo e ascoltiamo l'universo, meno ne vediamo l'ordine.

Lungi dal disperarsi però, i ricercatori sono entusiasti.

Roberto Battiston, presidente della commissione nazionale dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) per la fisica delle astroparticelle e vice coordinatore del progetto internazionale Ams, che dal 2010 studierà la presenza di antimateria nei raggi cosmici, spiega:
"Siamo in una fase affascinante della storia della scienza. Sappiamo di non sapere, ma sappiamo anche cos'è che non sappiamo. È un messaggio potentissimo per le future generazioni, dal quale arriveranno rivoluzioni sostanziali nel nostro modo di guardare all'universo".

Il satellite Fermi, mandato in orbita dalla Nasa con un 'cuore' italiano sviluppato da Infn, Inaf e Asi, è appena stato incoronato dalla rivista americana 'Science' quale autore della seconda più importante conquista scientifica del 2009. Misurando i raggi gamma, ha registrato l'eco della più potente esplosione avvenuta nell'universo, il lampo prodotto da una vera catastrofe cosmica: il collasso di una stella con la conseguente formazione di un buco nero. Alle altissime energie prodotte da questo genere di eventi, le particelle subatomiche assumono comportamenti nuovi e sconosciuti, che ci permettono di lanciare rapidi sguardi su mondi invisibili.

Sulla Terra intanto, a energie milioni di volte inferiori, ma comunque altissime, l'universo si studia dentro il tunnel di LHC che promette di stravolgere la nostra idea del tutto.
Scopriremo l'esistenza di antistelle e antipianeti?
Altre dimensioni spazio-temporali?
Nuove leggi della fisica?

Una sola cosa è certa: ogni passo in avanti corrisponde a un ridimensionamento del nostro ruolo nel cosmo. Già con la rivoluzione copernicana abbiamo dovuto abdicare alla centralità dell'uomo nell'universo. Poi abbiamo saputo che neppure il Sole è al centro della nostra galassia, la quale peraltro è solo una delle centinaia di miliardi che popolano lo spazio.
E qualche decina d'anni fa abbiamo anche scoperto di essere un prodotto del tutto residuale del Big Bang.

"In teoria, all'inizio materia e antimateria erano presenti in uguale quantità e nella gigantesca annichilazione del Big Bang avrebbero dovuto eliminarsi a vicenda. Ma una parte di materia per miliardo è rimasta, e quella parte ha formato tutto ciò che conosciamo".

Come mai l'universo è andato verso la materia?

C'era forse in origine più materia che antimateria?

O forse esistono antistelle e antipianeti da qualche parte nell'universo che non siamo in grado di distinguere dalle stelle e dai pianeti che conosciamo?


Per capirlo, l'Italia (Infn e Agenzia spaziale, in collaborazione con la Nasa) sta completando l'Anti Matter Spectrometer o AMS, che a luglio 2010 verrà installato sulla stazione spaziale orbitante: un grande magnete superconduttore da otto tonnellate, la cui missione sarà quella di capire se esistono tracce di antimateria pesante nei raggi cosmici. Sappiamo che un po' di antimateria leggera è prodotta nei raggi cosmici anche da altro.

Ma se vedessimo antiparticelle pesanti come antielio, anticarbonio o antiossigeno saremmo certi dell'esistenza di antistelle e antigalassie, sarebbe una scoperta clamorosa, che riscriverebbe le teorie sull'universo.

In definitiva, ora sappiamo che siamo solo briciole di materia inspiegabilmente sopravvissuta alla colossale annichilazione originaria.

Ma l'ultimo (in ordine di tempo) colpo alla nostra autostima è forse anche il peggiore: questa materia di cui siamo fatti, e di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, non è che una minima parte di ciò che compone l'universo (il 4,5% al massimo).

Il resto? L'abbiamo chiamato materia oscura ed energia oscura, perché si tratta di materia che non emana e neppure riflette la luce e di energia nascosta nel vuoto, della cui esistenza siamo certi in base a complicati calcoli gravitazionali e ad altre osservazioni indirette, ma che ci è stato finora impossibile osservare direttamente.

Patrizia Caraveo, responsabile per l'Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) della missione Fermi, ha spiegato:

"Il grande problema dei cosmologi in questo momento è cercare di venire a capo della effettiva composizione dell'universo. Se la nostra interpretazione dei dati che vengono dalla radiazione cosmica di fondo e di quelli raccolti da Hubble su un certo tipo di supernove è corretta, fatta cento la quantità di materia che compone l'universo, la materia che noi conosciamo risulta essere appena il 4%. Il 96% risulta fatto da qualcosa che non conosciamo. La natura sta cercando di dirci qualcosa. Delle due l'una: o applichiamo male le leggi della gravitazione universale e della relatività generale, oppure conosciamo bene queste leggi e allora non sappiamo quasi nulla di come è fatto l'universo. Le misure di Hubble sulle supernove ci portano a dedurre che l'espansione dell'universo sia accelerata. Il che è contro ogni intuizione: se si pensa di avere una palla che esplode e poi rimane senza più nessuna sorgente di energia, questa presto o tardi deve rallentare la sua corsa. Era quello che tutti pensavano dovesse accadere. È stato un vero shock avere le prove dell'accelerazione, ma dato che esiste, vuol dire che c'è una forza che la sostiene. Un'energia che chiamiamo oscura, perché non sappiamo che cosa sia. Forse c'è qualcosa di sbagliato nel modo in cui interpretiamo i dati che si riferiscono a un universo che era molto più giovane di quello attuale. Forse non è così evidente che le leggi fisiche di oggi si possano applicare a stelle di dieci miliardi di anni fa, che magari si comportavano in modo diverso".

Poi c'è da aggiungere al ragionamento il fattore tempo, perché la luce che osserviamo oggi può essere stata emessa da stelle e galassie anche migliaia, milioni o miliardi di anni fa. Così più si guarda lontano nello spazio, più si guarda indietro nel tempo, perché si vede la luce prodotta dall'universo di molto tempo fa.

Le foto di Hubble che incorniciano una galassia lontanissima ci consentono di studiare l'universo 600 milioni di anni dopo il Big Bang. Andare indietro significa avvicinarsi al momento primo, al grosso botto che 13,7 miliardi di anni fa ha dato origine al tutto e ha creato le leggi della fisica che oggi cerchiamo di studiare proprio ripartendo da lì.

Roberto Petronzio, presidente dell'Infn ha chiarito: "Uno dei compiti di Lhc è proprio quello di ricreare le condizioni dei primi microsecondi e per questo spesso si dice che andrà indietro nel tempo. In effetti, la fisica delle altissime energie e dell'infinitamente piccolo va a esplorare le condizioni di allora, producendo le particelle che esistevano nell'universo dei primi istanti.
Particelle molto più pesanti di quelle che possiamo osservare oggi, create quando l'universo era ancora caldo e che durante il raffreddamento si sono trasformate decadendo nei prodotti più leggeri che conosciamo. Forse la materia oscura è il relitto di quelle antiche particelle pesanti, che vivevano solo a energie molto più alte".

Una rappresentazione grafica della Materia Oscura

Presto l’universo sarà ridisegnato dalle scoperte di LHC (Large Helectron Collider), l’acceleratore di particelle del Cern. Ecco alcuni degli scenari che potrebbero essere delineati dalla collisione di particelle ad altissima energia.

L'accelaratore di particelle del CERN: LHC

Oltre lo Spazio e il Tempo

Se LHC vedrà sparire alcune particelle in uno spazio “al di fuori” di quello tridimensionale che conosciamo, questa sarà la prova che l’universo ha non solo le tre dimensioni spaziali (più una temporale) che possiamo percepire, ma sei o otto altre dimensioni che non possiamo vedere perché piccolissime.
L’universo risulterebbe composto da una trama microscopica e invisibile ancora tutta da esplorare ma prevista da alcuni modelli di teoria delle stringhe.

La Colla del Creato

Se le collisioni di Lhc produrranno particelle di materia oscura, sarà aperta la via per capire cos’è questa strana materia che non vediamo e che apparentemente non interagisce con i nostri strumenti, ma che tiene insieme le galassie con la sua attrazione gravitazionale. Avremmo scoperto di cosa è fatto il 96% dell’Universo, di cui non sappiamo ancora nulla, mentre la materia che conosciamo e di cui siamo fatti è appena il 4%.

Perché ha vinto la Materia

Indagando le proprietà dell’antimateria, Lhc potrebbe scoprire come mai la materia di cui siamo fatti ha avuto la meglio, nei primi istanti dopo il Big Bang, sull’antimateria che in teoria era presente in uguale quantità al momento della formazione dell’universo.
In questo modo verrebbe svelato il grande favoritismo della natura, grazie al quale esiste tutto ciò che conosciamo.

Alla ricerca dell'ordine perduto

Il modello standard potrebbe essere migliorato dalla teoria detta della Supersimmetria. Se Lhc riuscirà a produrre le prime particelle supersimmetriche mai osservate, potremmo risolvere anche il mistero della massa oscura dell’universo.

Questo dimostrerà l'esistenza di una simmetria più generale e renderà più probabile la teoria delle stringhe.
Ci avvicineremmo così a una teoria del tutto capace di unificare le forze fondamentali della natura.

Concludendo...

L'insieme da comporre continua a sfuggirci, malgrado ne afferriamo ormai alcune parti.

Diceva Einstein: la cosa più incomprensibile dell'Universo è che esso risulti comprensibile per l'uomo.