Ricreare l'universo primordiale in laboratorio?

Autore: Gianluca Sarri prof. della scuola di Matematica e Fisica della Queen's University Belfast.

Uno dei più grandi misteri di tutti i tempi della fisica è perché il nostro universo contiene più materia che antimateria, che è l'equivalente della materia ma con carica elettrica di segno opposto. Per affrontare questo problema, il nostro team internazionale di ricercatori è riuscito a creare un plasma con la stessa quantità sia di materia sia di antimateria, una condizione che riteniamo faccia parte dell'universo primordiale.

Immagine 1 - L'atmosfera dei buchi neri contiene un plasma composto di materia e antimateria. NASA/Flickr, CC BY-SA

La materia da noi conosciuta può assumere quattro differenti stati: solido, liquido, gas e plasma, che non è altro che un gas incandescente nel quale gli atomi hanno perso gli elettroni.

Tuttavia, esiste un quinto, insolito stato: un plasma composto da materia e antimateria che possiede una simmetria completa tra particelle negative (elettroni) e particelle positive (positroni).

Si ritiene che questo stato particolare della materia sia presente nell'atmosfera di oggetti astrofisici estremi, come i buchi neri e i pulsar. Si è anche pensato che tale stato della materia possa essere stato il costituente fondamentale dell'universo nella sua infanzia, in particolare durante l'epoca leptonica, iniziata circa un secondo dopo il Big Bang.

 

Una frazione di un secondo di vita

Uno dei problemi nella creazione delle particelle di materia e antimateria è dovuto al fatto che tali particelle si detestano fortemente, scomparendo in un'esplosione di luce ogni volta che si incontrano. Tuttavia, questo non accade immediatamente, ed è quindi possibile studiare il comportamento del plasma per la frazione di secondo in cui è vivo.

Comprendere come la materia si comporta in questo stato esotico è fondamentale se vogliamo capire come il nostro universo si sia evoluto e, in particolare, perché l'universo come lo conosciamo si compone principalmente di materia. Si tratta quindi di una caratteristica sconcertante; la teoria della meccanica quantistica relativistica suggerisce che dovremmo avere uguali quantità di materia e antimateria. Nessun modello attuale della fisica può spiegare tale discrepanza.

Immagine 2 - Un pulsar racchiuso in una bolla di gas una supernova, possiede inoltre un'atmosfera di plasma di materia-antimateria. ESA/XMM-Newton/ L. Oskinova/M. Guerrero; CTIO/R. Gruendl/Y.H. Chu, CC BY

Un plasma di elettroni e positroni, nonostante rivesta un'importanza fondamentale per la nostra comprensione dell'universo, non era mai stato prodotto prima in laboratorio, nemmeno negli enormi acceleratori di particelle come il CERN. Il nostro team internazionale, che coinvolge fisici provenienti da Regno Unito, Germania, Portogallo e Italia, ha adottato una prospettiva completamente differente per affrontare lo studio di questi oggetti.
 

Pensare in piccolo

Invece di concentrare la nostra attenzione sugli immensi acceleratori di particelle, ci siamo orientati verso i laser ultraintensi disponibili presso il Central Laser Facility che si trova presso il Rutherford Appleton Laboratory nell'Oxfordshire, UK. Abbiamo usato una camera da vuoto spinto (Ultra High Vacuum) con una pressione dell'aria corrispondente ad un centesimo di un milionesimo della nostra atmosfera e abbiamo sparato un impulso laser intenso ultra corto (centinaia di miliardi di miliardi più intenso della luce solare sulla superficie terrestre) contro dell'azoto in forma gassosa. Gli elettroni del gas sono stati strappati via e accelerati a una velocità molto vicina a quella della luce.

 

Il fascio si è poi scontrato con un blocco di piombo, rallentando nuovamente. Nel momento in cui il fascio ha colpito i nuclei degli atomi di piombo sono state emesse particelle di luce, i fotoni, sono state create coppie di elettroni e le relative coppie di antiparticelle, i positroni. Una reazione a catena di questo processo ha dato luogo al plasma.

Tuttavia, questo risultato sperimentale ha richiesto un notevole sforzo. Infatti, è stato necessario guidare e controllare il raggio laser con una precisione micrometrica mentre i rivelatori sono stati accuratamente calibrati e schermati più volte (con conseguenti lunghe e frequenti notti trascorse in laboratorio).

Il nostro studio, pubblicato su Nature Communications, probabilmente ha aperto un emozionante ramo della fisica. Oltre ad indagare l'asimmetria tra materia e antimateria, osservando come questo plasma interagisce con i raggi laser ultra potenti, possiamo anche studiare come questo plasma si propaga nel vuoto e in un mezzo a bassa densità. Questo potrebbe risultare più efficace riuscendo a ricreare condizioni simili alla generazione dei lampi di raggi gamma (gamma-ray bursts), alcuni degli eventi più luminosi mai registrati nel nostro universo.